JP4432968B2 - 共振子型ｓａｗフィルタ - Google Patents
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Description
本発明は、圧電体平板上に入力側および出力側すだれ状電極とその両側に一対の反射器を形成し、レイリー波またはＳＴＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ Ｗａｖｅ）あるいはＳＳＢＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｋｉｍｍｉｎｇ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）、ＳＨ波、ラブ波、セザワ波等の弾性表面波を利用して実現する縦多重モード型等の共振子型ＳＡＷフィルタに関する。
従来、共振子型ＳＡＷフィルタの基板として、圧電体である水晶ＳＴＷカット基板が使われてきた。前記基板は弾性表面波（ＳＴＷあるいはＳＳＢＷ）の速度が５１００ｍ／ｓｅｃと速く、ＧＨｚ帯域のＳＡＷデバイスとして１９７９年の早くから研究され、また使用されて来た。
前記の水晶ＳＴＷカット基板は、すでによく知られているものであり、水晶結晶の基本軸である電気軸Ｘ、機械軸Ｙ、光軸Ｚからなる直交座標系において、機械軸Ｙに直交するＹ板を電気軸Ｘの回りにθ度（特に零温度係数が得られるθ＝３３度から４７度）回転した基板である。この基板を用いたＳＡＷデバイスは、Ｙ板の回転後の光軸Ｚ´方向に伝播するＳＴＷあるいはＳＳＢＷ型弾性表面波を利用したものである（非特許文献１参照）。
前記の水晶ＳＴＷカット基板を利用して、縦２重モード型または縦３重モード型等の共振子型ＳＡＷフィルタを構成すると、１ＧＨｚから３ＧＨｚ帯域のＳＡＷデバイスが実現できる。前記共振子型ＳＡＷフィルタの従来技術の例として、たとえば特許文献１、特許文献２及び特許文献３をあげることができる。また、従来の技術により実現された共振子型ＳＡＷフィルタの例として、非特許文献２をあげることができる。
特開昭６２−１８８５１２号公報 ＷＯ００／１３３１６ 米国特許第５２２０２３４号明細書 Ｔ．ＮＩＳＨＩＫＡＷＡ ｅｔ ａｌ："ＳＨ−ＴＹＰＥ ＳＵＲＦＡＣＥ ＡＣＯＵＳＴＩＣ ＷＡＶＥＳ ＯＮ ＲＯＴＡＴＥＤ Ｙ−ＣＵＴ ＱＵＡＲＴＺ"，Ｐｒｏｃ．３４ｔｈ Ａｎｎ．Ｆｒｅｑ．Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，ｐｐ．２８６−２９１（Ｍａｙ １９８０） Ｈｉｒｏｍｉ Ｙａｔｓｕｄａ："ＳＡＷ Ｄｅｖｉｃｅ Ａｓｓｅｎｂｌｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｆｕｔｕｒｅ Ｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｃｈｉｂａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｐｐ．１８９−１９４（５ｔｈ Ｍａｒｃｈ ２００１）
しかしながら、前述の従来技術を使用し共振子型ＳＡＷフィルタを構成した場合には、通過比帯域幅が５００ｐｐｍ程度の極めて狭い帯域なものしか実現できないという第１の課題が存在した（非特許文献２参照）。ちなみに、通過比帯域幅とは３ｄＢ帯域幅をフィルタ中心周波数で割った値である。
そこで本願の発明は、この通過比帯域幅が狭い原因を究明して、解決策を見出したものである。本発明において用いた技術的および理論的手段は、周期的構造を有する制御用すだれ状電極の新規導入と、発明者の考案による“周波数ポテンシャル設計手法”を活用して、このような問題点を解決するものである。前記“周波数ポテンシャル設計手法”を簡単に言えば、周波数ポテンシャル関数ＦＴＰ（Ｘ）、弾性表面波の速度Ｖｓ、素子の空間波長２Ｐ（Ｘ）の関係式 ＦＴＰ（Ｘ）＝Ｖｓ／｛２Ｐ（Ｘ）｝ を弾性波動の伝搬制御に利用するものである。ただし、Ｘは弾性表面波の位相進行方向の位置座標である。
また本願の発明は、前記の発明によって発生し、ノイズの発生原因となる側帯波成分（第２の課題）を改善するための解決策を提供するものである。
本発明の目的とするところは、挿入損失が低く、比帯域幅が広い縦多重モード型の共振子型ＳＡＷフィルタを実現することにある。例えば、零温度係数を有して周波数温度特性に優れ弾性表面波の速度が速い水晶ＳＴＷカット基板と、λ／４電極（伝搬する弾性表面波の波長をλとして、すだれ状電極の電極指の幅をλ／４の寸法とするもの）を使用し、低挿入損失かつ比帯域幅が２０００から４０００ｐｐｍの広帯域幅で安定な縦多重モード型の共振子型ＳＡＷフィルタを実現することにある。
前記の水晶ＳＴＷカット基板は、すでによく知られているものであり、水晶結晶の基本軸である電気軸Ｘ、機械軸Ｙ、光軸Ｚからなる直交座標系において、機械軸Ｙに直交するＹ板を電気軸Ｘの回りにθ度（特に零温度係数が得られるθ＝３３度から４７度）回転した基板である。この基板を用いたＳＡＷデバイスは、Ｙ板の回転後の光軸Ｚ´方向に伝播するＳＴＷあるいはＳＳＢＷ型弾性表面波を利用したものである（非特許文献１参照）。
前記の水晶ＳＴＷカット基板を利用して、縦２重モード型または縦３重モード型等の共振子型ＳＡＷフィルタを構成すると、１ＧＨｚから３ＧＨｚ帯域のＳＡＷデバイスが実現できる。前記共振子型ＳＡＷフィルタの従来技術の例として、たとえば特許文献１、特許文献２及び特許文献３をあげることができる。また、従来の技術により実現された共振子型ＳＡＷフィルタの例として、非特許文献２をあげることができる。
しかしながら、前述の従来技術を使用し共振子型ＳＡＷフィルタを構成した場合には、通過比帯域幅が５００ｐｐｍ程度の極めて狭い帯域なものしか実現できないという第１の課題が存在した（非特許文献２参照）。ちなみに、通過比帯域幅とは３ｄＢ帯域幅をフィルタ中心周波数で割った値である。
そこで本願の発明は、この通過比帯域幅が狭い原因を究明して、解決策を見出したものである。本発明において用いた技術的および理論的手段は、周期的構造を有する制御用すだれ状電極の新規導入と、発明者の考案による“周波数ポテンシャル設計手法”を活用して、このような問題点を解決するものである。前記“周波数ポテンシャル設計手法”を簡単に言えば、周波数ポテンシャル関数ＦＴＰ（Ｘ）、弾性表面波の速度Ｖｓ、素子の空間波長２Ｐ（Ｘ）の関係式 ＦＴＰ（Ｘ）＝Ｖｓ／｛２Ｐ（Ｘ）｝ を弾性波動の伝搬制御に利用するものである。ただし、Ｘは弾性表面波の位相進行方向の位置座標である。
また本願の発明は、前記の発明によって発生し、ノイズの発生原因となる側帯波成分（第２の課題）を改善するための解決策を提供するものである。
本発明の目的とするところは、挿入損失が低く、比帯域幅が広い縦多重モード型の共振子型ＳＡＷフィルタを実現することにある。例えば、零温度係数を有して周波数温度特性に優れ弾性表面波の速度が速い水晶ＳＴＷカット基板と、λ／４電極（伝搬する弾性表面波の波長をλとして、すだれ状電極の電極指の幅をλ／４の寸法とするもの）を使用し、低挿入損失かつ比帯域幅が２０００から４０００ｐｐｍの広帯域幅で安定な縦多重モード型の共振子型ＳＡＷフィルタを実現することにある。
本発明の共振子型ＳＡＷフィルタは、圧電体平板上に、弾性表面波を励振する入力側すだれ状電極と、前記入力側すだれ状電極により励振された弾性表面波を受信する出力側すだれ状電極と、前記入力側すだれ状電極と出力側すだれ状電極の間に弾性表面波の状態を制御するための制御用すだれ状電極と、さらに前記入力側すだれ状電極と出力側すだれ状電極の両側に設けられた１対の反射器と、が前記弾性表面波の伝搬する方向にそれぞれ配置された共振子型ＳＡＷフィルタであって、前記入力側すだれ状電極と前記出力側すだれ状電極および前記制御用すだれ状電極は、交互に配置された２種類の異なる区間Ｃと区間Ｅ内にそれぞれ設けられた電極指から構成され、前記電極指の幅Ｌが、前記弾性表面波の波長をλとしてほぼλ／４の寸法で構成され、前記電極指の幅Ｌと電極指間の寸法Ｓの和である電極周期長ＰをＰ＝Ｌ＋Ｓとした場合に、前記区間Ｃにおける電極周期長ＰがＰＣかつ前記電極指の対数ＭＣが１対であり、前記区間Ｅにおける前記電極周期長ＰがＰＥかつ前記電極指の対数ＭＥが１対であり、前記区間Ｃと区間Ｅの電極周期長の比ＰＥ／ＰＣが、０．８＜ＰＥ／ＰＣ＜１の範囲内であり、かつ前記区間Ｃと区間Ｅに設けられた前記電極指はいずれも給電導体に接続されたことを特徴とする。
本発明によれば、区間Ｃと区間Ｅの各電極指からの反射波の総和が相互に相殺して減少するために、電極指１本の持つ実効的な反射係数を低減して広帯域幅の縦２重モード型および縦３重モード型等の共振子型ＳＡＷフィルタが容易に実現できる。また区間Ｃと区間Ｅの電極指が電気的に接続されており、弾性波が励振されて途切れないために側帯波成分を十分に小さくできる。さらに、この第１の発明においては、弾性表面波の速度が５１００ｍ／ｓｅｃと高速で、従って高周波数動作が可能な水晶ＳＴＷカットのもつ電気機械結合係数Ｋ２が０．００２と小さな基板において、電極膜厚を著しく薄くしなくても、通過比帯域幅が３０００から４０００ｐｐｍの縦３重型の共振子型ＳＡＷフィルタが実現できる。例えば、１．５ＧＨｚにおいて膜厚み約１００ｎｍのλ／４電極を形成して、前記通過比帯域幅の特性をもつ共振子型ＳＡＷフィルタが実現できるという効果がある。
また、本発明は、前記圧電体平板と前記すだれ状電極が形成する前記電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０３から０．１０の範囲であることが望ましい。
この構成によれば、弾性表面波の速度が５１００ｍ／ｓｅｃと高速な、従って高周波数動作が可能な水晶ＳＴＷカット基板、または、速度が１００００ｍ／ｓｅｃのダイヤモンドを用いた基板などの、高速であるが反射係数γの大きな基板の利用が可能である。さらに前記の基板を用いて１〜３ＧＨｚの周波数をもつ共振子型ＳＡＷフィルタにおいて、膜厚を増加することによる反射係数γの増加に煩わされずに、十分に厚い膜厚（約１００ｎｍ）のλ／４電極を形成して信頼性のある共振子型ＳＡＷフィルタを形成できる。
また、本発明は、利用する共振モードが基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０と１次対称モードＳ１との共振現象から合成される縦３重モードであり、かつ前記電極周期長ＰＣおよびＰＥとを交互に配置してなるすだれ状電極全体が有する前記電極指１本が示す弾性表面波の等価な反射係数γｃｅが０．０１から０．０２５の範囲であることが望ましい。
この構成によれば、基本波の対称モードＳ０と基本波の斜対称モードＡ０から構成される縦２重モード型の２０００ｐｐｍの帯域幅に対して、縦３重モード型とすることで約４０００ｐｐｍとより広帯域幅である共振子型ＳＡＷフィルタが実現できるため、素子の周波数調整が容易であり、低コスト化が可能という効果がある。
また、本発明は、前記圧電体平板が水晶ＳＴＷカット基板であり、前記すだれ状電極はアルミニウム金属により形成されて電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０５±０．０２であり、かつ前記電極周期長の比ＰＥ／ＰＣが０．９±０．０２であり、前記制御用すだれ状電極の電極指の対数ＭＫが１０対から３０対の範囲であり、かつ前記入力側すだれ状電極と出力側すだれ状電極の電極指の和Ｍが８０±１０対であり、かつ前記電極指の電極指交差幅ＷＣが５０〜８０λであり、前記反射器の導体本数は３０〜１００本であることが望ましい。
このような構成の共振子型ＳＡＷフィルタであれば、１．５７ＧＨｚ動作のＧＰＳ装置用途のＲＦフィルタが実現できる。また、通過帯域幅が約３ＭＨｚであるため、従来のＬｉＴａＯ３基板を用いた３０ＭＨｚ幅のものに対して、約１／１０の狭帯域幅であり、受信信号に関して約１０倍のＳ／Ｎ比の改善ができるという効果がある。
本発明の共振子型ＳＡＷフィルタは、圧電体平板上に、弾性表面波を励振する入力側すだれ状電極と、前記入力側すだれ状電極により励振された弾性表面波を受信する出力側すだれ状電極と、前記入力側すだれ状電極と出力側すだれ状電極の間に弾性表面波の状態を制御するための制御用すだれ状電極と、さらに前記入力側すだれ状電極と出力側すだれ状電極の両側に設けられた１対の反射器と、が前記弾性表面波の伝搬する方向にそれぞれ配置された共振子型ＳＡＷフィルタであって、前記の入力側すだれ状電極と前記出力側すだれ状電極および前記制御用すだれ状電極は、交互に配置された２種類の異なる区間Ｇと区間Ｈ内にそれぞれ設けられた電極指から構成され、前記電極指の幅Ｌが、前記弾性表面波の波長をλとしてほぼλ／４の寸法で構成され、前記電極指の幅Ｌと電極指間の寸法Ｓの和である電極周期長ＰをＰ＝Ｌ＋Ｓとした場合に、前記区間Ｇにおける前記電極周期長ＰがＰＧかつ前記電極指の本数ＮＧが１本であり、前記区間Ｈにおける前記電極周期長ＰがＰＨかつ前記電極指の本数ＮＨが１本であり、前記区間Ｇと区間Ｈの電極周期長の比ＰＨ／ＰＧが、０．８＜ＰＨ／ＰＧ＜１の範囲内であり、かつ区間Ｇと区間Ｈの前記電極指を各々異なる極性の給電導体に接続されたことを特徴とする。
本発明によれば、区間Ｇと区間Ｈの各電極指からの反射波の総和が相互に相殺して減少するために、電極指１本の持つ実効的な反射係数を低減して広帯域幅の縦２重モード型および縦３重モード型等の共振子型ＳＡＷフィルタが容易に実現できる。また区間Ｇと区間Ｈの電極指が電気的に接続されており、弾性波が励振されて途切れないために側帯波成分を完全に除去できる。さらに、この第２の発明においては、弾性表面波の速度が５１００ｍ／ｓｅｃと高速で、従って高周波数動作が可能な水晶ＳＴＷカットのもつ電気機械結合係数Ｋ２が０．００２と小さな基板において、電極膜厚を著しく薄くしなくても、通過比帯域幅が３０００から４０００ｐｐｍの縦３重型の共振子型ＳＡＷフィルタが実現できる。例えば、１．５ＧＨｚにおいて膜厚み約１００ｎｍのλ／４電極を形成して、前記通過比帯域幅の特性をもつ共振子型ＳＡＷフィルタが実現できるという効果がある。
また、本発明は、前記圧電体平板と前記すだれ状電極が形成する前記電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０３から０．１０の範囲であることが望ましい。
このような条件であれば、弾性表面波の速度が５１００ｍ／ｓｅｃと高速な、従って高周波数動作が可能な水晶ＳＴＷカット基板、または、速度が１００００ｍ／ｓｅｃのダイヤモンドを用いた基板などの、高速であるが反射係数γの大きな基板の利用が可能である。さらに前記の基板を用いて１〜３ＧＨｚの周波数をもつ共振子型ＳＡＷフィルタにおいて、膜厚を増加することによる反射係数γの増加に煩わされずに、十分に厚い膜厚（約１００ｎｍ）のλ／４電極を形成して信頼性のある共振子型ＳＡＷフィルタを形成できる。
また、本発明において、利用する共振モードが基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０と１次対称モードＳ１との共振現象から合成される縦３重モードであり、かつ前記電極周期長ＰＧおよびＰＨとを交互に配置してなるすだれ状電極全体が有する前記電極指１本が示す等価な反射係数γｇｈが０．０１から０．０２５の範囲であることが望ましい。
このような条件であれば、基本波の対称モードＳ０と基本波の斜対称モードＡ０から構成される縦２重モード型の２０００ｐｐｍの帯域幅に対して、縦３重モード型とすることで約４０００ｐｐｍとより広帯域幅である共振子型ＳＡＷフィルタが実現できるため、素子の周波数調整が容易であり、低コスト化が可能という効果がある。
また、本発明は、前記圧電体平板が水晶ＳＴＷカット基板であり、前記すだれ状電極はアルミニウム金属により形成されて電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０５±０．０２であり、かつ前記電極周期長の比ＰＨ／ＰＧが０．９±０．０２であり、前記制御用すだれ状電極の電極指の対数ＭＫが１０対から３０対の範囲であり、かつ前記入力側すだれ状電極および出力側すだれ状電極の対数の和Ｍが４０±１０対であり、かつ前記電極指の電極指交差幅ＷＣが５０〜８０λであり、前記反射器の導体本数は３０〜１００本であることが望ましい。
このような構成の共振子型ＳＡＷフィルタであれば、１．５７ＧＨｚ動作のＧＰＳ装置用途のＲＦフィルタが実現できる。また、通過帯域幅が約３ＭＨｚであるため、従来のＬｉＴａＯ３基板を用いた３０ＭＨｚ幅のものに対して、約１／１０の狭帯域幅であり、受信信号に関して約１０倍のＳ／Ｎ比の改善ができるという効果がある。
また、本発明では、前記反射器の中心周波数ｆ（Ｒｅｆ）と、前記電極周期長ＰＥまたはＰＨのすだれ状電極が発生する周波数ｆ（ＩＤＴ）を一致させたことが望ましい。
このような構成とすれば、反射器が有する反射特性の最大値が利用できるため、反射器の導体本数が少なくでき、共振子型ＳＡＷフィルタの小型化ができるという効果がある。
また、本発明では、前記水晶ＳＴＷカット基板は、水晶Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）の回り反時計方向にθ＝３５度から３８度回転した水晶平板であることが望ましい。
このような構成とすれば、基板のもつ周波数温度係数が零温度係数であり、かつ２次温度係数βが−６．４×１０−８／℃２であるから、使用温度範囲−４５から８５℃において、素子自身の周波数変動が２７０ｐｐｍ程度と小さく安定であり、従って受信信号のジッタ（時刻精度バラツキ）への影響が小さいという効果がある。
本発明によれば、区間Ｃと区間Ｅの各電極指からの反射波の総和が相互に相殺して減少するために、電極指１本の持つ実効的な反射係数を低減して広帯域幅の縦２重モード型および縦３重モード型等の共振子型ＳＡＷフィルタが容易に実現できる。また区間Ｃと区間Ｅの電極指が電気的に接続されており、弾性波が励振されて途切れないために側帯波成分を十分に小さくできる。さらに、この第１の発明においては、弾性表面波の速度が５１００ｍ／ｓｅｃと高速で、従って高周波数動作が可能な水晶ＳＴＷカットのもつ電気機械結合係数Ｋ２が０．００２と小さな基板において、電極膜厚を著しく薄くしなくても、通過比帯域幅が３０００から４０００ｐｐｍの縦３重型の共振子型ＳＡＷフィルタが実現できる。例えば、１．５ＧＨｚにおいて膜厚み約１００ｎｍのλ／４電極を形成して、前記通過比帯域幅の特性をもつ共振子型ＳＡＷフィルタが実現できるという効果がある。
また、本発明は、前記圧電体平板と前記すだれ状電極が形成する前記電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０３から０．１０の範囲であることが望ましい。
この構成によれば、弾性表面波の速度が５１００ｍ／ｓｅｃと高速な、従って高周波数動作が可能な水晶ＳＴＷカット基板、または、速度が１００００ｍ／ｓｅｃのダイヤモンドを用いた基板などの、高速であるが反射係数γの大きな基板の利用が可能である。さらに前記の基板を用いて１〜３ＧＨｚの周波数をもつ共振子型ＳＡＷフィルタにおいて、膜厚を増加することによる反射係数γの増加に煩わされずに、十分に厚い膜厚（約１００ｎｍ）のλ／４電極を形成して信頼性のある共振子型ＳＡＷフィルタを形成できる。
また、本発明は、利用する共振モードが基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０と１次対称モードＳ１との共振現象から合成される縦３重モードであり、かつ前記電極周期長ＰＣおよびＰＥとを交互に配置してなるすだれ状電極全体が有する前記電極指１本が示す弾性表面波の等価な反射係数γｃｅが０．０１から０．０２５の範囲であることが望ましい。
この構成によれば、基本波の対称モードＳ０と基本波の斜対称モードＡ０から構成される縦２重モード型の２０００ｐｐｍの帯域幅に対して、縦３重モード型とすることで約４０００ｐｐｍとより広帯域幅である共振子型ＳＡＷフィルタが実現できるため、素子の周波数調整が容易であり、低コスト化が可能という効果がある。
また、本発明は、前記圧電体平板が水晶ＳＴＷカット基板であり、前記すだれ状電極はアルミニウム金属により形成されて電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０５±０．０２であり、かつ前記電極周期長の比ＰＥ／ＰＣが０．９±０．０２であり、前記制御用すだれ状電極の電極指の対数ＭＫが１０対から３０対の範囲であり、かつ前記入力側すだれ状電極と出力側すだれ状電極の電極指の和Ｍが８０±１０対であり、かつ前記電極指の電極指交差幅ＷＣが５０〜８０λであり、前記反射器の導体本数は３０〜１００本であることが望ましい。
このような構成の共振子型ＳＡＷフィルタであれば、１．５７ＧＨｚ動作のＧＰＳ装置用途のＲＦフィルタが実現できる。また、通過帯域幅が約３ＭＨｚであるため、従来のＬｉＴａＯ３基板を用いた３０ＭＨｚ幅のものに対して、約１／１０の狭帯域幅であり、受信信号に関して約１０倍のＳ／Ｎ比の改善ができるという効果がある。
本発明の共振子型ＳＡＷフィルタは、圧電体平板上に、弾性表面波を励振する入力側すだれ状電極と、前記入力側すだれ状電極により励振された弾性表面波を受信する出力側すだれ状電極と、前記入力側すだれ状電極と出力側すだれ状電極の間に弾性表面波の状態を制御するための制御用すだれ状電極と、さらに前記入力側すだれ状電極と出力側すだれ状電極の両側に設けられた１対の反射器と、が前記弾性表面波の伝搬する方向にそれぞれ配置された共振子型ＳＡＷフィルタであって、前記の入力側すだれ状電極と前記出力側すだれ状電極および前記制御用すだれ状電極は、交互に配置された２種類の異なる区間Ｇと区間Ｈ内にそれぞれ設けられた電極指から構成され、前記電極指の幅Ｌが、前記弾性表面波の波長をλとしてほぼλ／４の寸法で構成され、前記電極指の幅Ｌと電極指間の寸法Ｓの和である電極周期長ＰをＰ＝Ｌ＋Ｓとした場合に、前記区間Ｇにおける前記電極周期長ＰがＰＧかつ前記電極指の本数ＮＧが１本であり、前記区間Ｈにおける前記電極周期長ＰがＰＨかつ前記電極指の本数ＮＨが１本であり、前記区間Ｇと区間Ｈの電極周期長の比ＰＨ／ＰＧが、０．８＜ＰＨ／ＰＧ＜１の範囲内であり、かつ区間Ｇと区間Ｈの前記電極指を各々異なる極性の給電導体に接続されたことを特徴とする。
本発明によれば、区間Ｇと区間Ｈの各電極指からの反射波の総和が相互に相殺して減少するために、電極指１本の持つ実効的な反射係数を低減して広帯域幅の縦２重モード型および縦３重モード型等の共振子型ＳＡＷフィルタが容易に実現できる。また区間Ｇと区間Ｈの電極指が電気的に接続されており、弾性波が励振されて途切れないために側帯波成分を完全に除去できる。さらに、この第２の発明においては、弾性表面波の速度が５１００ｍ／ｓｅｃと高速で、従って高周波数動作が可能な水晶ＳＴＷカットのもつ電気機械結合係数Ｋ２が０．００２と小さな基板において、電極膜厚を著しく薄くしなくても、通過比帯域幅が３０００から４０００ｐｐｍの縦３重型の共振子型ＳＡＷフィルタが実現できる。例えば、１．５ＧＨｚにおいて膜厚み約１００ｎｍのλ／４電極を形成して、前記通過比帯域幅の特性をもつ共振子型ＳＡＷフィルタが実現できるという効果がある。
また、本発明は、前記圧電体平板と前記すだれ状電極が形成する前記電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０３から０．１０の範囲であることが望ましい。
このような条件であれば、弾性表面波の速度が５１００ｍ／ｓｅｃと高速な、従って高周波数動作が可能な水晶ＳＴＷカット基板、または、速度が１００００ｍ／ｓｅｃのダイヤモンドを用いた基板などの、高速であるが反射係数γの大きな基板の利用が可能である。さらに前記の基板を用いて１〜３ＧＨｚの周波数をもつ共振子型ＳＡＷフィルタにおいて、膜厚を増加することによる反射係数γの増加に煩わされずに、十分に厚い膜厚（約１００ｎｍ）のλ／４電極を形成して信頼性のある共振子型ＳＡＷフィルタを形成できる。
また、本発明において、利用する共振モードが基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０と１次対称モードＳ１との共振現象から合成される縦３重モードであり、かつ前記電極周期長ＰＧおよびＰＨとを交互に配置してなるすだれ状電極全体が有する前記電極指１本が示す等価な反射係数γｇｈが０．０１から０．０２５の範囲であることが望ましい。
このような条件であれば、基本波の対称モードＳ０と基本波の斜対称モードＡ０から構成される縦２重モード型の２０００ｐｐｍの帯域幅に対して、縦３重モード型とすることで約４０００ｐｐｍとより広帯域幅である共振子型ＳＡＷフィルタが実現できるため、素子の周波数調整が容易であり、低コスト化が可能という効果がある。
また、本発明は、前記圧電体平板が水晶ＳＴＷカット基板であり、前記すだれ状電極はアルミニウム金属により形成されて電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０５±０．０２であり、かつ前記電極周期長の比ＰＨ／ＰＧが０．９±０．０２であり、前記制御用すだれ状電極の電極指の対数ＭＫが１０対から３０対の範囲であり、かつ前記入力側すだれ状電極および出力側すだれ状電極の対数の和Ｍが４０±１０対であり、かつ前記電極指の電極指交差幅ＷＣが５０〜８０λであり、前記反射器の導体本数は３０〜１００本であることが望ましい。
このような構成の共振子型ＳＡＷフィルタであれば、１．５７ＧＨｚ動作のＧＰＳ装置用途のＲＦフィルタが実現できる。また、通過帯域幅が約３ＭＨｚであるため、従来のＬｉＴａＯ３基板を用いた３０ＭＨｚ幅のものに対して、約１／１０の狭帯域幅であり、受信信号に関して約１０倍のＳ／Ｎ比の改善ができるという効果がある。
また、本発明では、前記反射器の中心周波数ｆ（Ｒｅｆ）と、前記電極周期長ＰＥまたはＰＨのすだれ状電極が発生する周波数ｆ（ＩＤＴ）を一致させたことが望ましい。
このような構成とすれば、反射器が有する反射特性の最大値が利用できるため、反射器の導体本数が少なくでき、共振子型ＳＡＷフィルタの小型化ができるという効果がある。
また、本発明では、前記水晶ＳＴＷカット基板は、水晶Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）の回り反時計方向にθ＝３５度から３８度回転した水晶平板であることが望ましい。
このような構成とすれば、基板のもつ周波数温度係数が零温度係数であり、かつ２次温度係数βが−６．４×１０−８／℃２であるから、使用温度範囲−４５から８５℃において、素子自身の周波数変動が２７０ｐｐｍ程度と小さく安定であり、従って受信信号のジッタ（時刻精度バラツキ）への影響が小さいという効果がある。
本発明の共振子型ＳＡＷフィルタの具体的な用途を考えてみる。
水晶ＳＴＷカット基板等を利用して、１．５７ＧＨｚのＲＦフィルタを製作した場合の特徴を列記すると、
（１）周波数温度特性が零温度係数をもち安定である（約−４５〜８５℃の範囲において、周波数変動量が２７０ｐｐｍと小さい）。
（２）材料のＱ値が優れ、１．５ＧＨｚにおいて共振子のＱ値が６０００程度と高いため、２ｄＢ程度の低損失フィルタが実現できる。
（３）区間Ｃおよび区間Ｅまたは区間Ｇおよび区間Ｈを周期的に構成しＩＤＴの有する反射係数を低減させて、通過比帯域幅３０００ｐｐｍ程度のフィルタが実現でき、この帯域幅は３ＭＨｚの通過帯域幅となって、必要十分にＧＰＳ装置に利用される信号の周波数成分範囲２ＭＨｚをカバーできる。
（４）通過帯域幅内の振幅リップルが小さい５０Ωフィルタができる。
本発明になる共振子型のＳＡＷフィルタをＧＰＳ装置用のＲＦフィルタに用いれば、１．５７ＧＨｚにおいて約３ＭＨｚの通過帯域幅が確保でき、従来のＬｉＴａＯ３基板を用いて作られる通過帯域幅が３０ＭＨｚ程のフィルタに対して、装置が受信する雑音レベルが約１／１０に低減できる。また、温度の変化に対して周波数変動が小さいために、位相変動が少なく低ジッタかつ低位相ノイズであるデジタル信号が受信でき、測地精度にバラツキが無く、位置を高精度に計測可能なＧＰＳ装置を市場に提供できる。
さらに昨今は、３〜１０ＧＨｚ帯にて使用するＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）等の微弱近距離無線が商品化段階にある他、ＧＰＳ装置とＵＷＢあるいは他の通信装置との近接使用などの手段も研究中であり、今後ますます電磁的雑音の増加が心配されるため、本発明の共振子型ＳＡＷフィルタをこれらの分野において使用すれば、測地精度の維持のために益々有益な素子となることが考えられる。
水晶ＳＴＷカット基板等を利用して、１．５７ＧＨｚのＲＦフィルタを製作した場合の特徴を列記すると、
（１）周波数温度特性が零温度係数をもち安定である（約−４５〜８５℃の範囲において、周波数変動量が２７０ｐｐｍと小さい）。
（２）材料のＱ値が優れ、１．５ＧＨｚにおいて共振子のＱ値が６０００程度と高いため、２ｄＢ程度の低損失フィルタが実現できる。
（３）区間Ｃおよび区間Ｅまたは区間Ｇおよび区間Ｈを周期的に構成しＩＤＴの有する反射係数を低減させて、通過比帯域幅３０００ｐｐｍ程度のフィルタが実現でき、この帯域幅は３ＭＨｚの通過帯域幅となって、必要十分にＧＰＳ装置に利用される信号の周波数成分範囲２ＭＨｚをカバーできる。
（４）通過帯域幅内の振幅リップルが小さい５０Ωフィルタができる。
本発明になる共振子型のＳＡＷフィルタをＧＰＳ装置用のＲＦフィルタに用いれば、１．５７ＧＨｚにおいて約３ＭＨｚの通過帯域幅が確保でき、従来のＬｉＴａＯ３基板を用いて作られる通過帯域幅が３０ＭＨｚ程のフィルタに対して、装置が受信する雑音レベルが約１／１０に低減できる。また、温度の変化に対して周波数変動が小さいために、位相変動が少なく低ジッタかつ低位相ノイズであるデジタル信号が受信でき、測地精度にバラツキが無く、位置を高精度に計測可能なＧＰＳ装置を市場に提供できる。
さらに昨今は、３〜１０ＧＨｚ帯にて使用するＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）等の微弱近距離無線が商品化段階にある他、ＧＰＳ装置とＵＷＢあるいは他の通信装置との近接使用などの手段も研究中であり、今後ますます電磁的雑音の増加が心配されるため、本発明の共振子型ＳＡＷフィルタをこれらの分野において使用すれば、測地精度の維持のために益々有益な素子となることが考えられる。
以下、本発明の共振子型ＳＡＷフィルタの実施形態について、まず理解を容易ならしめるために、図１によって具体的な実施例の構成を説明した後、図２、図３、図４、図５、図６、図８を用いて基本的動作原理を説明し、図９、図１０、図１３に従来品の特性を示し、図７、図１１、図１２、図１４において本発明の共振子型ＳＡＷフィルタが有する特性を詳細に説明する。
図１は本発明に係る共振子型ＳＡＷフィルタ（以下略して素子と称すことがある）の一実施例を説明するための、圧電体平板上に形成した電極パターンを図示した模式平面図である。
図１の各部位の名称は、１００は水晶、ＬｉＴａＯ３等からなる圧電体平板、１０１および１０２は反射器、１０３は入力側すだれ状電極、１０４は出力側すだれ状電極、１０５は制御用すだれ状電極である（以下、“すだれ状電極”を略してＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）と称す）。また、１０６Ａおよび１０６Ｂは反射器を構成する導体ストリップ、１０７は給電導体（バスバー）に接続された入力側ＩＤＴの正極側の電極指、１０８は給電導体（バスバー）に接続された入力側ＩＤＴの負極側の電極指、１０９は給電導体（バスバー）に接続された出力側ＩＤＴの正極側の電極指、１１０は給電導体（バスバー）に接続された出力側ＩＤＴの負極側の電極指である。また、１１１等は制御用ＩＤＴの電極指、１１２と１１３は各々正極側と負極側の入力側給電導体（バスバー）、１１４と１１５は各々正極側と負極側の出力側給電導体（バスバー）である。さらに、１２３は利用する弾性表面波の位相伝搬方向であるＸ軸、１２１は本素子を駆動するための信号源、１２２は本素子の負荷となるインピーダンスＺＬである。
１１６は区間Ｃに対応する出力側ＩＤＴ１０４の部分、１１７は区間Ｅに対応する出力側ＩＤＴ１０４の部分、１１９は区間Ｃに対応する入力側ＩＤＴ１０３の部分、１２０は区間Ｅに対応する入力側ＩＤＴ１０３の部分である。１１８Ａと１１８Ｂはそれぞれ区間Ｃ、区間Ｅに対応する制御用ＩＤＴ１０５の部分である。
実際の素子においては、入力側ＩＤＴ１０３は区間Ｃと区間Ｅを交互に連続配置して構成されており、出力側ＩＤＴ１０４も、区間Ｃと区間Ｅを交互に連続配置して構成されている。制御用ＩＤＴ１０５も同様に区間Ｃと区間Ｅを交互に連続配置して構成する。このように構成された入力側ＩＤＴ１０３と出力側ＩＤＴ１０４の前記Ｘ軸方向の両側に１対の反射器１０１，１０２が配置されている。反射器１０１，１０２は無くても良い場合があるが、付加すると素子の特性を著しく向上できる。
ここで、ＩＤＴにおける要素について定義する。図２は、ＩＤＴの部分平面図である。ＩＤＴ１３０は、例えば正極側の電極指１３１と負極側の電極指１３２がお互いに噛み合うように配置されている。電極指１３１，１３２の幅をＬとし、電極指間の寸法をＳとして、電極周期長ＰをＰ＝Ｌ＋Ｓと定義する。そして、区間ＣにおけるＩＤＴの電極周期長をＰＣ、区間ＥにおけるＩＤＴの電極周期長をＰＥとする。同様に反射器における導体ストリップの電極周期長をＰＲとする。
また、１本ずつの正負の電極指を合わせて１対と呼び、入力側と出力側ＩＤＴ全体における電極指の対数の和をＭとする。そして、区間Ｃにおける電極指の対数をＭＣ、区間Ｅにおける電極指の対数をＭＥ、制御用ＩＤＴにおける電極指の対数をＭＫとする。さらに、正極側の電極指１３１と負極側の電極指１３２が交差している幅を電極指交差幅ＷＣとし、この電極指交差幅ＷＣを弾性表面波の波長λに対しての倍数で表現する。
さらに本実施例を説明すると、区間ＣはＩＤＴの電極指の対数ＭＣが１対であり、一方、区間Ｅは電極指の対数ＭＥが１対であり、区間Ｃと区間Ｅの電極指はいずれも給電導体に接続している。この給電導体に接続した状態は、電気的な接続がなされていることを意味する。また、各電極指の幅Ｌは伝搬する弾性表面波の波長をλとして、λ／４の寸法に設定している。さらに、区間Ｃと区間Ｅの電極周期長の比ＰＥ／ＰＣについて、０．８＜ＰＥ／ＰＣ＜１の範囲内に設定する。
このように本実施例の共振子型ＳＡＷフィルタは、水晶などの圧電体材料から圧電体平板１００を切り出して、その表面を鏡面研磨した後、レイリー型あるいはＳＳＢＷ型等の弾性表面波の位相伝搬方向に対して直交して、例えば金属アルミニウムからなる多数の平行導体の電極指を周期的に配置した入力側ＩＤＴ１０３および出力側ＩＤＴ１０４を構成する。さらに入力側ＩＤＴ１０３と出力側ＩＤＴ１０４の間に弾性表面波の状態を制御するための制御用ＩＤＴ１０５を設け、前記のＩＤＴ１０３，１０４，１０５は２種類の異なる区間Ｃと区間Ｅとを交互に配置してなり、入力側ＩＤＴ１０３と出力側ＩＤＴ１０４の両側に１対の反射器１０１，１０２を形成して、縦３重モード型の共振子型ＳＡＷフィルタを構成している。
さらに、反射器１０１，１０２の中心周波数ｆ（Ｒｅｆ）と、区間ＥのＩＤＴにより発生する周波数ｆ（ＩＤＴ）は、区間ＣのＩＤＴおよび区間ＥのＩＤＴの電極周期長ＰＣとＰＥの組み合わせと、反射器１０１，１０２の電極周期長ＰＲの関係を適切に調整して、ｆ（Ｒｅｆ）＝ｆ（ＩＤＴ）と設定する。
以上に述べた図１の構成全体で、入力側ＩＤＴ１０３で発生した弾性表面波は１対の反射器１０１，１０２で反射して定在波振動状態を形成して利用すべき固有共振モードを発生する。これら固有モードはＸ軸方向に振動変位が変わる基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０、さらに１次対称モードＳ１の３つの共振状態であり、前記３つの共振現象を結合して縦３重モード型のＳＡＷフィルタを構成している。ただし、従来の技術と異なる点は、区間Ｃと区間Ｅとを交互に配置してなるＩＤＴ全体が有する等価な電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γｃｅが０．０１から０．０２５の範囲であることである。ここで、反射係数γｃｅを等価な反射係数と呼ぶ理由は、前述の区間Ｃと区間Ｅの電極周期長の異なる電極指の配列構造によって発生するＩＤＴ全体のなす反射係数をＩＤＴの全電極本数で割った換算値とするためである。
さらに構成条件として、前記圧電体平板１００と前記ＩＤＴ（１０３，１０４，１０５等）の電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．．０３から０．１の範囲である場合において、本発明の手段は特に有効である。
さらに、詳細な構成条件をあげると、圧電体平板１００が水晶ＳＴＷカット基板であり、前記ＩＤＴはアルミニウム金属により形成されて電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０５±０．０２であり、かつ区間Ｃ、区間Ｅにおける電極指の対数ＭＣとＭＥがそれぞれ１対であり、制御用ＩＤＴ１０５における電極指１１１の対数ＭＫが１０対から３０対の範囲である。そして、区間Ｃおよび区間Ｅの電極指を給電導体１１２，１１３，１１４，１１５に接続し、かつ入力側ＩＤＴ１０３と出力側ＩＤＴ１０４における電極指の和Ｍが８０±１０対である。特にＭＫ＝２０対の場合には、入力側および出力側のＩＤＴにおける電極指の対数はそれぞれ４０対である。さらに前記ＩＤＴの電極指交差幅ＷＣが５０〜８０λであり、反射器１０１，１０２の導体本数はそれぞれ３０〜１００本である。以上の場合において、本素子は特に良好な特性が得られる。なお、水晶ＳＴＷカット基板は水晶Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）の回り反時計方向に３５度から３８度回転した水晶平板であり、オイラー角（φ，θ，φ）表示で、（０°，１２５〜１２８°，９０°）のものである。そして、弾性表面波の伝搬方向がこの水晶Ｙ板の回転後の光軸Ｚ´方向になるように各ＩＤＴを配列している。
この構成条件に対応する前記電極周期長Ｐ（Ｘ）の詳細設定の一例を図３に示す。図３において、横軸は素子のＸ座標位置、縦軸は区間Ｃの電極周期長ＰＣに対するＰ（Ｘ）の比Ｐ（Ｘ）／ＰＣである。これらの値は、反射器において０．９６８、入力側ＩＤＴと出力側ＩＤＴおよび制御用ＩＤＴの区間Ｃにおいて１．０、区間Ｅにおいて０．９１の値に設定してある。
つぎに、図４において本実施例の素子の構造と動作について説明する。
図４は図１のような区間Ｃと区間Ｅからなる周期的構造を取るＩＤＴを“周波数ポテンシャル設計手法”を活用して表示したものである。図４の、２００と２０２は前述の区間Ｃからなるブロックであり、２０１と２０３は区間Ｅからなるブロックである。また、図４の４つの特性曲線２０９等は、弾性表面波の伝搬状態である伝搬帯（斜線で示す領域）および、弾性表面波が伝搬できずに減衰する状態である非伝搬帯（ストップバンドとも呼ばれる白い部分で示す領域）の特性全体を示す特性曲線であり、波数分散曲線と呼ばれている。波数分散曲線は横軸が波数ｋ＝２π／λ（１／ｍ）であり、縦軸は周波数ＦＴＰ（Ｈｚ）で表示した。ＦＴＰは本発明において活用する“周波数ポテンシャル”の略称である。ＦＴＰは利用する弾性表面波の速度をＶｓとすれば、前述の電極周期長Ｐと、ＦＴＰ＝Ｖｓ／（２×Ｐ）の関係にある。さらに、基準周波数をＦＴＰ０として、周波数差分量Ｄ＝（ＦＴＰ−ＦＴＰ０）／ＦＴＰ０で表現することが効率的である。分散曲線上の白丸印２０４等はＩＤＴによって発生する弾性表面波の動作点を示すもので、２０８の矢印にて示される右進行波、左進行波が生じている。また２０６で示される周波数差分量Ｄは前記の周波数変化率表示であり、区間Ｃと区間Ｅの周波数ポテンシャル差である。すなわち、区間Ｃ周波数ポテンシャルＦＴＰＣは、およそＦＴＰＣ＝Ｖｓ／（２×ＰＣ）、区間Ｅの周波数ポテンシャルＦＴＰＥは、およそＦＴＰＥ＝Ｖｓ／（２×ＰＥ）であり、周波数差分量Ｄ＝ＦＴＰＣ−ＦＴＰＥの関係にある。さらに、２０５の破線で囲む領域は、図１の構成により発生した反射係数γｃｅ＝０〜０．０２５をもつ伝搬帯領域である。ちなみに、それぞれの区間Ｃ、区間ＥにおけるＩＤＴの電極指の対数ＭＰ（＝ＭＣ＝ＭＥ）は検討の結果、１対以上の数対で構成できることがわかった。
つぎに図５は、電極指１本が示す反射係数γ＝０．０５であり、前述の図４の周期的構造をとるＩＤＴを用いて構成した正規型のトランスバーサルフィルタの特性から得られるＩＤＴがもつ挿入損失Γと電極周期長の比ＰＥ／ＰＣの関係である。ちなみに正規型のトランスバーサルフィルタとは、図１において反射器１０１と１０２が存在しない構成の素子である。また図５は、図４のようなＩＤＴが周期的構造を有する、弾性表面波の反射現象について物理的な特徴を示すものである。図５の特性曲線４００から、ＰＥ／ＰＣが０．７８±０．０２付近（Ｑ点）となると、前記の挿入損失Γがほぼゼロとなっている。また、ＰＥ／ＰＣ＝０．９付近（Ｒ点）では、従来品の挿入損失に対して約６ｄＢの減少が認められる。これは、電極指１本が示す反射係数γを０．０５とすると、約半分の０．０２５程度となったことが推定できる。
つぎに図６は、前述のＱ点である反射係数γｃｅ＝０をもつ伝搬帯領域の発生メカニズムについて図示したものである。図中の縦軸は周波数軸Ｆであり、この周波数軸Ｆの右側半面に位置する横軸は、反射係数γの大きさを表し、左側半面に位置した横軸は、前記反射係数γの位相角θであり、反射波の位相角θに相当する。図中の特性曲線５００は前述の区間Ｃにおける反射係数γｃの振幅特性であり、５０２は反射係数γｃの位相特性である。位相が０度の場合は、反射波は入射波と同位相状態であり、位相が１８０度の場合には入射波と反射波は逆位相状態であることを意味する。一方、特性曲線５００から上方に周波数変化率にして＋０．２２シフトした特性曲線５０１は、前記区間Ｅのもつ反射係数γｅの振幅特性である。また５０３は反射係数γｅの位相特性である。区間Ｃと区間Ｅの電極指はいずれも給電導体に接続しており弾性表面波を励振している。特性曲線５００は電極周期長ＰＣの区間Ｃの電極指対数ＭＣが４対で、電極指１本が示す反射係数γが０．０５の場合について計算したものである（図５に対応）。前記特性曲線５００において反射係数γ＝０となる周波数は弾性表面波が通過すること示すものであり、入射波は反射せずに区間Ｃを通過する。下側の伝搬点と上側の伝搬点の幅であるストップバンド幅ＢＷは、この場合０．２５（２５％）の大きな幅となっている。これは電極指の有する反射係数γが大きくかつ、対数ＭＰが４対と極めて小さいことによる。特性曲線５０１は、電極周期長ＰＥの区間Ｅの電極指対数ＭＥが４対で、電極指１本当りの反射係数γが０．０５の場合につき同様に計算したものである。特性曲線５０１は特性曲線５００を０．２２（２２％）上昇させたもので、これは電極周期長ＰＥがＰＣの７８％に設定されていることによる。特性曲線５０１のストップバンド幅ＢＷは０．２５（２５％）であり、区間Ｃと同一である。前記の励起された弾性表面波は、おおむね振幅動作点Ｂ１と位相動作点Ｂ２の近傍の周波数成分を持ち、この発生した弾性表面波は、区間Ｃに至り同一周波数の振幅動作点Ａ１と位相動作点Ａ２で動作する。位相動作点Ａ２とＢ２は位相がほぼ反転するような配置であり、区間Ｃと区間Ｅからの反射波は合成され、相殺されて全体の反射波がゼロとなるため、反射係数γｃｅ＝０が実現する。従って、前記動作点Ｂ１，Ｂ２のつくる近傍の周波数は無反射の伝搬帯となるわけである。以上が本発明の基礎となる現象の説明である。また、周波数上昇量が０から＋０．２２の範囲であれば、前記区間Ｃと区間Ｅの多数繰り返しが作るトータルな反射係数は１から０の間の値を取ることになる。前述の図５の特性はこの状態を示していると解釈できる。なお、上記の説明では電極指の対数ＭＰ＝４対として説明したがＭＰ＝１〜１０対の間でも同様である。
また区間Ｅは動作点Ｂ１に対応する周波数の弾性表面波を励振して本発明の素子のフィルタ特性を形成する。
本発明は以上の動作原理にもとづき、区間Ｃと区間ＥのＩＤＴ全体が有する等価な電極指１本が示す反射係数γｃｅが０．０１から０．０２５の範囲である状態を実現し、基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０、一次対称モードＳ１の３つの共振状態を利用して、共振子型のＳＡＷフィルタを実現するものである。
つぎに、図１の構成における共振子型ＳＡＷフィルタが示す、フィルタ特性について説明する。
図７は、水晶ＳＴＷカットにおける電極指１本が示す反射係数γの特性図である。この特性図におけるＳＴＷカットはオイラー角（φ，θ，ψ）表示で、（０°，１２７±１°，９０°）のものであり、前述の表面集中型のＳＨ波あるいはＳＳＢＷ弾性表面波と呼ばれる弾性波により動作する。図７の横軸は、電極指の導体幅Ｌと電極周期長Ｐとの比である線幅比η＝Ｌ／Ｐであり、縦軸は電極指１本が示す反射係数γの値を％表示したものである。図中の特性曲線６００は電極膜厚Ｈに対する弾性表面波の波長λの比Ｈ／＝０．０３の場合であり、特性曲線６０１はＨ／λ＝０．０５の場合である。例えば素子の動作周波数が１．５ＧＨｚの場合、波長λはＳＳＢＷ弾性表面波の速度が約５１００（ｍ／ｓｅｃ）であるから、λ＝５１００／１．５×１０９＝３．４×１０−６ｍであり、このときの電極膜厚Ｈは、Ｈ／λ＝０．０３において１０２ｎｍ、Ｈ／λ＝０．０５において１７０ｎｍとなる。電極膜の安定な形成においては、少なくとも１００ｎｍ程度の膜厚みが必要であり、この状態における反射係数γは約５〜６％程度となる。
つぎに、図８は圧電体平板上に前述の反射係数γを有する電極指を用い、本実施例の縦３重モード型のＳＡＷ共振子を構成した状態を示す概念図である。図中の７００は圧電体平板、７０１と７０２は反射器、７０３と７０４は入力および出力側のＩＤＴであり、７０５は制御用ＩＤＴの領域である。これらは区間Ｃと区間Ｅを交互に配置して構成してある。この状態において、前記素子の７０９のＸ軸位置に対応して、前記素子において利用する固有の共振モードの振動変位分布Ｕ（Ｘ）の相対値を図示した。図中の７０６は弾性表面波が伝搬する方向Ｘの中央位置に対してほぼ対称な振動変位分布を有する基本波対称モードＳ０であり、７０７は前記中央位置に対してほぼ斜対称な振動変位分布を有する基本波斜対称モードＡ０である。また、７０８は振動変位分布に２つの節を有し前記中央位置に対してほぼ対称な１次対称モードＳ１である。ちなみに、横軸のＸ座標は１／２波長単位で記述した。
ここで、本実施例におけるフィルタの特性の理解を容易ならしめるために、従来技術によって得られるフィルタ特性について説明しておく。
図９は、本実施例において定義した設計変数が、Ｈ／λ＝０．０３、電極指１本の反射係数γ＝０．０５の状態で、従来技術の条件である区間Ｃと区間Ｅの電極周期長ＰＣとＰＥを等しくした場合（ＰＥ／ＰＣ＝１）である。また１区間の電極指の対数ＭＰ＝４対、入力側と出力側ＩＤＴ全体における電極指の対数の和Ｍは１２０対、制御用ＩＤＴの対数ＭＫは２０対、反射器の導体本数は８０本、電極指の電極指交差幅ＷＣは５０λの場合である。同図の横軸は、周波数変化率ｄｆ／ｆ（ｐｐｍ）であり、縦軸はフィルタの動作伝送量ＳＢ（ｆ）をデシベル（ｄＢ）表示したものである。ちなみに、ｆは周波数である。特性曲線８００においてピークを示す８０１がフィルタの通過帯域幅を示すものであり、このように、単峰性の狭い帯域特性を有していることがわかる。本発明はこのような単峰性特性状態を改善して、広い通過帯域幅をもたせる手段を提供する。
つぎに、図１０は従来の設計条件の場合（ＰＥ／ＰＣ＝１）であり、電極指１本が示す反射係数γの値を変えた場合のフィルタの伝送特性を計算したものである。図１０（ａ）は反射係数γ＝０．０５の場合であり、入力側と出力側ＩＤＴ全体の電極指の対数Ｍ＝８０対、電極指交差幅ＷＣ＝１００λ、反射器の導体本数Ｎ＝８０本、１区間の電極指の対数ＭＰ＝４対である。この場合、特性曲線９０１がフィルタの伝送特性を示し、通過帯の比帯域幅は１２００ｐｐｍである。
また、図１０（ｂ）は反射係数γ＝０．０１５の場合であり、入力側と出力側ＩＤＴ全体における電極指の対数の和Ｍ＝１６０対と倍に設定し、電極指交差幅ＷＣ＝５０λ、反射器の導体本数Ｎ＝８０本、１区間の電極指の対数ＭＰ＝４対である。この場合、特性曲線９０２がフィルタの伝送特性を示し、通過帯の比帯域幅は約１０００ｐｐｍである。図１０が示す意味は、入力側と出力側ＩＤＴ全体における電極指の対数の和Ｍを小さくすれば通過帯域幅を広げることができること、および反射係数γを小さくすれば、入力側と出力側ＩＤＴ全体における電極指の対数の和Ｍが大きくても、通過帯域幅を広くできることを意味している。本発明は上記の結論である入力側と出力側ＩＤＴ全体における電極指の対数の和Ｍを小さくすることと、反射係数γを小さくすることを利用して１〜３ＧＨｚ帯で動作する通過比帯域幅４０００ｐｐｍの共振子型ＳＡＷフィルタを実現したものである。従来の技術ではすでに述べた通り通過比帯域幅約５００ｐｐｍが限界であった。原因は実用的な電極膜厚みにあっては、電極指１本が示す反射係数γが５〜１０％に至るからである。
つぎに図１の実施例が示すフィルタ特性について説明する。
図１１はフィルタの伝送特性１００１を上段に示し、下段には本素子を構成する反射器の反射特性１００２を図示したものである。本発明においては、反射器の中心周波数ｆ（Ｒｅｆ）とフィルタの通過帯域幅の中心周波数ｆ（ＩＤＴ）を一致させている。このような状態では、区間ＥのＩＤＴが放射する弾性表面波を完全に反射できるため、反射器の導体本数を少なくできる。このために、反射器の電極周期長ＰＲを０．９６８ＰＣとした。他の条件は、ＰＥ／ＰＣ＝０．９１であり、入力側と出力側のＩＤＴ対数が各々４０対、反射器の導体本数Ｎ＝１００本、電極指交差幅ＷＣ＝６０λ、区間Ｃおよび区間Ｅにおける電極指の対数ＭＣ＝ＭＥ＝１対、制御用ＩＤＴの電極指は２０対、電極指１本が示す反射係数γは０．０５である。
つぎに図１２は、図１１の縦３重モード型ＳＡＷフィルタを２段縦続接続した場合のフィルタの動作伝送量ＳＢ（ｆ）をデシベル表示で示したものである。横軸は周波数変化率ｄｆ／ｆ（ｐｐｍ）であり、縦軸はフィルタの動作伝送量ＳＢ（ｆ）である。本素子はフィルタのインピーダンスが５０Ωとなるように設計されている。本素子の動作周波数は１．５ＧＨｚとしてある。この場合において伝送特性は図１２（ａ）の特性曲線１１００のようになり、挿入損失の最小値は約２．０ｄＢであり、通過帯域である平坦領域の幅（比帯域幅）は約４０００ｐｐｍが得られている。また、１１０１はフィルタの影像インピーダンスＺ（ｆ）（Ω）である。特性曲線１１００の周波数９０００ｐｐｍ付近が１次対称モードＳ１であり、１２０００ｐｐｍ付近が基本波斜対称モードＡ０であり、１４０００ｐｐｍ付近が基本波対称モードＳ０である。図１２（ｂ）は周波数範囲を広げて図示した場合のフィルタ特性１１０２である。帯域外の抑圧特性は一部に狭い周波数を除き５０ｄＢ程確保されており、良好な特性が得られていることがわかる。また、１１０３は反射器のもつ反射特性であり、反射量を１００倍にして相対位置がわかるようにあわせて図示した。
以上が第１の課題に対する本実施例の説明である。この実施例によって発生する側帯波成分の発生（第２の課題）に対する改善結果をつぎに説明する。この側帯波の発生原因につき解析した結果、発生原因には２つの要因があることがわかった。発生原因の第１は、入力側ＩＤＴの区間Ｃと区間Ｅにおいて弾性表面波の励振の有無に起因する振幅変調によるものと、第２は区間Ｃと区間Ｅの電極周期長ＰＣ，ＰＥが異なることに起因する周波数変調によるものである。これら側帯波成分の発生原因の観点から、図１３の状況を説明する。
図１３は、区間Ｅの電極指を給電導体に接続し、区間Ｃの電極指を給電導体に接続しない場合で、かつ区間Ｃと区間Ｅの電極指本数ＮＰＭを変化させた場合の側帯波の発生状況である。図１３（ａ）はＮＰＭ＝２本の場合であり、図１３（ｂ）はＮＰＭ＝６本の場合であり、図１３（ｃ）はＮＰＭ＝８本の場合である。図中の１２００は所望の通過帯域であり、１２０１，１２０２，１２０３の各ピークは、各電極指本数ＮＰＭに対応する側帯波の成分である。これらの振幅の大きさは６２ｄＢから３０ｄＢと大きく問題である。また、ＮＰＭの値は偶数値のものを示したが、奇数値でも同様な側帯波の成分の値を示した。図１３において、ＮＰＭが２本または６本のときに側帯波の成分が小さく、６２ｄＢとなっている。さらにＮＰＭ＝２本、すなわちＭＣ＝ＭＥ＝１対のときには、側帯波の成分が所望の通過帯域１２００から大きく遠ざかっており、ＮＰＭ＝６本、ＮＰＭ＝８本の場合と比べて実用上有利な特性となっている。
そこでつぎに、側帯波成分の発生原因である第１の原因を取り除いてみた。すなわち、区間Ｃの電極指を給電導体に接続してみた。その結果、ＮＰＭ＝２において、図１４の特性曲線１３００に示すフィルタ特性が得られた。図中の１３０１は所望の通過帯域であり、１３０２が側帯波の成分である。その大きさは９０ｄＢとなって通常のノイズレベルであり使用可能な大きさに改善されているのがわかる。
このように、本実施例によれば、区間Ｃと区間Ｅの各電極指からの反射波の総和が相互に相殺して減少するために、電極指１本が示す実効的な反射係数を低減して広い帯域幅の縦３重モード型の共振子型ＳＡＷフィルタが容易に実現できる。また、区間Ｃと区間Ｅの電極指がそれぞれ電気的に接続されて弾性表面波を励振して途切れないことから、ノイズの発生原因となる側帯波成分を十分に小さくできる。
図１の各部位の名称は、１００は水晶、ＬｉＴａＯ３等からなる圧電体平板、１０１および１０２は反射器、１０３は入力側すだれ状電極、１０４は出力側すだれ状電極、１０５は制御用すだれ状電極である（以下、“すだれ状電極”を略してＩＤＴ（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）と称す）。また、１０６Ａおよび１０６Ｂは反射器を構成する導体ストリップ、１０７は給電導体（バスバー）に接続された入力側ＩＤＴの正極側の電極指、１０８は給電導体（バスバー）に接続された入力側ＩＤＴの負極側の電極指、１０９は給電導体（バスバー）に接続された出力側ＩＤＴの正極側の電極指、１１０は給電導体（バスバー）に接続された出力側ＩＤＴの負極側の電極指である。また、１１１等は制御用ＩＤＴの電極指、１１２と１１３は各々正極側と負極側の入力側給電導体（バスバー）、１１４と１１５は各々正極側と負極側の出力側給電導体（バスバー）である。さらに、１２３は利用する弾性表面波の位相伝搬方向であるＸ軸、１２１は本素子を駆動するための信号源、１２２は本素子の負荷となるインピーダンスＺＬである。
１１６は区間Ｃに対応する出力側ＩＤＴ１０４の部分、１１７は区間Ｅに対応する出力側ＩＤＴ１０４の部分、１１９は区間Ｃに対応する入力側ＩＤＴ１０３の部分、１２０は区間Ｅに対応する入力側ＩＤＴ１０３の部分である。１１８Ａと１１８Ｂはそれぞれ区間Ｃ、区間Ｅに対応する制御用ＩＤＴ１０５の部分である。
実際の素子においては、入力側ＩＤＴ１０３は区間Ｃと区間Ｅを交互に連続配置して構成されており、出力側ＩＤＴ１０４も、区間Ｃと区間Ｅを交互に連続配置して構成されている。制御用ＩＤＴ１０５も同様に区間Ｃと区間Ｅを交互に連続配置して構成する。このように構成された入力側ＩＤＴ１０３と出力側ＩＤＴ１０４の前記Ｘ軸方向の両側に１対の反射器１０１，１０２が配置されている。反射器１０１，１０２は無くても良い場合があるが、付加すると素子の特性を著しく向上できる。
ここで、ＩＤＴにおける要素について定義する。図２は、ＩＤＴの部分平面図である。ＩＤＴ１３０は、例えば正極側の電極指１３１と負極側の電極指１３２がお互いに噛み合うように配置されている。電極指１３１，１３２の幅をＬとし、電極指間の寸法をＳとして、電極周期長ＰをＰ＝Ｌ＋Ｓと定義する。そして、区間ＣにおけるＩＤＴの電極周期長をＰＣ、区間ＥにおけるＩＤＴの電極周期長をＰＥとする。同様に反射器における導体ストリップの電極周期長をＰＲとする。
また、１本ずつの正負の電極指を合わせて１対と呼び、入力側と出力側ＩＤＴ全体における電極指の対数の和をＭとする。そして、区間Ｃにおける電極指の対数をＭＣ、区間Ｅにおける電極指の対数をＭＥ、制御用ＩＤＴにおける電極指の対数をＭＫとする。さらに、正極側の電極指１３１と負極側の電極指１３２が交差している幅を電極指交差幅ＷＣとし、この電極指交差幅ＷＣを弾性表面波の波長λに対しての倍数で表現する。
さらに本実施例を説明すると、区間ＣはＩＤＴの電極指の対数ＭＣが１対であり、一方、区間Ｅは電極指の対数ＭＥが１対であり、区間Ｃと区間Ｅの電極指はいずれも給電導体に接続している。この給電導体に接続した状態は、電気的な接続がなされていることを意味する。また、各電極指の幅Ｌは伝搬する弾性表面波の波長をλとして、λ／４の寸法に設定している。さらに、区間Ｃと区間Ｅの電極周期長の比ＰＥ／ＰＣについて、０．８＜ＰＥ／ＰＣ＜１の範囲内に設定する。
このように本実施例の共振子型ＳＡＷフィルタは、水晶などの圧電体材料から圧電体平板１００を切り出して、その表面を鏡面研磨した後、レイリー型あるいはＳＳＢＷ型等の弾性表面波の位相伝搬方向に対して直交して、例えば金属アルミニウムからなる多数の平行導体の電極指を周期的に配置した入力側ＩＤＴ１０３および出力側ＩＤＴ１０４を構成する。さらに入力側ＩＤＴ１０３と出力側ＩＤＴ１０４の間に弾性表面波の状態を制御するための制御用ＩＤＴ１０５を設け、前記のＩＤＴ１０３，１０４，１０５は２種類の異なる区間Ｃと区間Ｅとを交互に配置してなり、入力側ＩＤＴ１０３と出力側ＩＤＴ１０４の両側に１対の反射器１０１，１０２を形成して、縦３重モード型の共振子型ＳＡＷフィルタを構成している。
さらに、反射器１０１，１０２の中心周波数ｆ（Ｒｅｆ）と、区間ＥのＩＤＴにより発生する周波数ｆ（ＩＤＴ）は、区間ＣのＩＤＴおよび区間ＥのＩＤＴの電極周期長ＰＣとＰＥの組み合わせと、反射器１０１，１０２の電極周期長ＰＲの関係を適切に調整して、ｆ（Ｒｅｆ）＝ｆ（ＩＤＴ）と設定する。
以上に述べた図１の構成全体で、入力側ＩＤＴ１０３で発生した弾性表面波は１対の反射器１０１，１０２で反射して定在波振動状態を形成して利用すべき固有共振モードを発生する。これら固有モードはＸ軸方向に振動変位が変わる基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０、さらに１次対称モードＳ１の３つの共振状態であり、前記３つの共振現象を結合して縦３重モード型のＳＡＷフィルタを構成している。ただし、従来の技術と異なる点は、区間Ｃと区間Ｅとを交互に配置してなるＩＤＴ全体が有する等価な電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γｃｅが０．０１から０．０２５の範囲であることである。ここで、反射係数γｃｅを等価な反射係数と呼ぶ理由は、前述の区間Ｃと区間Ｅの電極周期長の異なる電極指の配列構造によって発生するＩＤＴ全体のなす反射係数をＩＤＴの全電極本数で割った換算値とするためである。
さらに構成条件として、前記圧電体平板１００と前記ＩＤＴ（１０３，１０４，１０５等）の電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．．０３から０．１の範囲である場合において、本発明の手段は特に有効である。
さらに、詳細な構成条件をあげると、圧電体平板１００が水晶ＳＴＷカット基板であり、前記ＩＤＴはアルミニウム金属により形成されて電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０５±０．０２であり、かつ区間Ｃ、区間Ｅにおける電極指の対数ＭＣとＭＥがそれぞれ１対であり、制御用ＩＤＴ１０５における電極指１１１の対数ＭＫが１０対から３０対の範囲である。そして、区間Ｃおよび区間Ｅの電極指を給電導体１１２，１１３，１１４，１１５に接続し、かつ入力側ＩＤＴ１０３と出力側ＩＤＴ１０４における電極指の和Ｍが８０±１０対である。特にＭＫ＝２０対の場合には、入力側および出力側のＩＤＴにおける電極指の対数はそれぞれ４０対である。さらに前記ＩＤＴの電極指交差幅ＷＣが５０〜８０λであり、反射器１０１，１０２の導体本数はそれぞれ３０〜１００本である。以上の場合において、本素子は特に良好な特性が得られる。なお、水晶ＳＴＷカット基板は水晶Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）の回り反時計方向に３５度から３８度回転した水晶平板であり、オイラー角（φ，θ，φ）表示で、（０°，１２５〜１２８°，９０°）のものである。そして、弾性表面波の伝搬方向がこの水晶Ｙ板の回転後の光軸Ｚ´方向になるように各ＩＤＴを配列している。
この構成条件に対応する前記電極周期長Ｐ（Ｘ）の詳細設定の一例を図３に示す。図３において、横軸は素子のＸ座標位置、縦軸は区間Ｃの電極周期長ＰＣに対するＰ（Ｘ）の比Ｐ（Ｘ）／ＰＣである。これらの値は、反射器において０．９６８、入力側ＩＤＴと出力側ＩＤＴおよび制御用ＩＤＴの区間Ｃにおいて１．０、区間Ｅにおいて０．９１の値に設定してある。
つぎに、図４において本実施例の素子の構造と動作について説明する。
図４は図１のような区間Ｃと区間Ｅからなる周期的構造を取るＩＤＴを“周波数ポテンシャル設計手法”を活用して表示したものである。図４の、２００と２０２は前述の区間Ｃからなるブロックであり、２０１と２０３は区間Ｅからなるブロックである。また、図４の４つの特性曲線２０９等は、弾性表面波の伝搬状態である伝搬帯（斜線で示す領域）および、弾性表面波が伝搬できずに減衰する状態である非伝搬帯（ストップバンドとも呼ばれる白い部分で示す領域）の特性全体を示す特性曲線であり、波数分散曲線と呼ばれている。波数分散曲線は横軸が波数ｋ＝２π／λ（１／ｍ）であり、縦軸は周波数ＦＴＰ（Ｈｚ）で表示した。ＦＴＰは本発明において活用する“周波数ポテンシャル”の略称である。ＦＴＰは利用する弾性表面波の速度をＶｓとすれば、前述の電極周期長Ｐと、ＦＴＰ＝Ｖｓ／（２×Ｐ）の関係にある。さらに、基準周波数をＦＴＰ０として、周波数差分量Ｄ＝（ＦＴＰ−ＦＴＰ０）／ＦＴＰ０で表現することが効率的である。分散曲線上の白丸印２０４等はＩＤＴによって発生する弾性表面波の動作点を示すもので、２０８の矢印にて示される右進行波、左進行波が生じている。また２０６で示される周波数差分量Ｄは前記の周波数変化率表示であり、区間Ｃと区間Ｅの周波数ポテンシャル差である。すなわち、区間Ｃ周波数ポテンシャルＦＴＰＣは、およそＦＴＰＣ＝Ｖｓ／（２×ＰＣ）、区間Ｅの周波数ポテンシャルＦＴＰＥは、およそＦＴＰＥ＝Ｖｓ／（２×ＰＥ）であり、周波数差分量Ｄ＝ＦＴＰＣ−ＦＴＰＥの関係にある。さらに、２０５の破線で囲む領域は、図１の構成により発生した反射係数γｃｅ＝０〜０．０２５をもつ伝搬帯領域である。ちなみに、それぞれの区間Ｃ、区間ＥにおけるＩＤＴの電極指の対数ＭＰ（＝ＭＣ＝ＭＥ）は検討の結果、１対以上の数対で構成できることがわかった。
つぎに図５は、電極指１本が示す反射係数γ＝０．０５であり、前述の図４の周期的構造をとるＩＤＴを用いて構成した正規型のトランスバーサルフィルタの特性から得られるＩＤＴがもつ挿入損失Γと電極周期長の比ＰＥ／ＰＣの関係である。ちなみに正規型のトランスバーサルフィルタとは、図１において反射器１０１と１０２が存在しない構成の素子である。また図５は、図４のようなＩＤＴが周期的構造を有する、弾性表面波の反射現象について物理的な特徴を示すものである。図５の特性曲線４００から、ＰＥ／ＰＣが０．７８±０．０２付近（Ｑ点）となると、前記の挿入損失Γがほぼゼロとなっている。また、ＰＥ／ＰＣ＝０．９付近（Ｒ点）では、従来品の挿入損失に対して約６ｄＢの減少が認められる。これは、電極指１本が示す反射係数γを０．０５とすると、約半分の０．０２５程度となったことが推定できる。
つぎに図６は、前述のＱ点である反射係数γｃｅ＝０をもつ伝搬帯領域の発生メカニズムについて図示したものである。図中の縦軸は周波数軸Ｆであり、この周波数軸Ｆの右側半面に位置する横軸は、反射係数γの大きさを表し、左側半面に位置した横軸は、前記反射係数γの位相角θであり、反射波の位相角θに相当する。図中の特性曲線５００は前述の区間Ｃにおける反射係数γｃの振幅特性であり、５０２は反射係数γｃの位相特性である。位相が０度の場合は、反射波は入射波と同位相状態であり、位相が１８０度の場合には入射波と反射波は逆位相状態であることを意味する。一方、特性曲線５００から上方に周波数変化率にして＋０．２２シフトした特性曲線５０１は、前記区間Ｅのもつ反射係数γｅの振幅特性である。また５０３は反射係数γｅの位相特性である。区間Ｃと区間Ｅの電極指はいずれも給電導体に接続しており弾性表面波を励振している。特性曲線５００は電極周期長ＰＣの区間Ｃの電極指対数ＭＣが４対で、電極指１本が示す反射係数γが０．０５の場合について計算したものである（図５に対応）。前記特性曲線５００において反射係数γ＝０となる周波数は弾性表面波が通過すること示すものであり、入射波は反射せずに区間Ｃを通過する。下側の伝搬点と上側の伝搬点の幅であるストップバンド幅ＢＷは、この場合０．２５（２５％）の大きな幅となっている。これは電極指の有する反射係数γが大きくかつ、対数ＭＰが４対と極めて小さいことによる。特性曲線５０１は、電極周期長ＰＥの区間Ｅの電極指対数ＭＥが４対で、電極指１本当りの反射係数γが０．０５の場合につき同様に計算したものである。特性曲線５０１は特性曲線５００を０．２２（２２％）上昇させたもので、これは電極周期長ＰＥがＰＣの７８％に設定されていることによる。特性曲線５０１のストップバンド幅ＢＷは０．２５（２５％）であり、区間Ｃと同一である。前記の励起された弾性表面波は、おおむね振幅動作点Ｂ１と位相動作点Ｂ２の近傍の周波数成分を持ち、この発生した弾性表面波は、区間Ｃに至り同一周波数の振幅動作点Ａ１と位相動作点Ａ２で動作する。位相動作点Ａ２とＢ２は位相がほぼ反転するような配置であり、区間Ｃと区間Ｅからの反射波は合成され、相殺されて全体の反射波がゼロとなるため、反射係数γｃｅ＝０が実現する。従って、前記動作点Ｂ１，Ｂ２のつくる近傍の周波数は無反射の伝搬帯となるわけである。以上が本発明の基礎となる現象の説明である。また、周波数上昇量が０から＋０．２２の範囲であれば、前記区間Ｃと区間Ｅの多数繰り返しが作るトータルな反射係数は１から０の間の値を取ることになる。前述の図５の特性はこの状態を示していると解釈できる。なお、上記の説明では電極指の対数ＭＰ＝４対として説明したがＭＰ＝１〜１０対の間でも同様である。
また区間Ｅは動作点Ｂ１に対応する周波数の弾性表面波を励振して本発明の素子のフィルタ特性を形成する。
本発明は以上の動作原理にもとづき、区間Ｃと区間ＥのＩＤＴ全体が有する等価な電極指１本が示す反射係数γｃｅが０．０１から０．０２５の範囲である状態を実現し、基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０、一次対称モードＳ１の３つの共振状態を利用して、共振子型のＳＡＷフィルタを実現するものである。
つぎに、図１の構成における共振子型ＳＡＷフィルタが示す、フィルタ特性について説明する。
図７は、水晶ＳＴＷカットにおける電極指１本が示す反射係数γの特性図である。この特性図におけるＳＴＷカットはオイラー角（φ，θ，ψ）表示で、（０°，１２７±１°，９０°）のものであり、前述の表面集中型のＳＨ波あるいはＳＳＢＷ弾性表面波と呼ばれる弾性波により動作する。図７の横軸は、電極指の導体幅Ｌと電極周期長Ｐとの比である線幅比η＝Ｌ／Ｐであり、縦軸は電極指１本が示す反射係数γの値を％表示したものである。図中の特性曲線６００は電極膜厚Ｈに対する弾性表面波の波長λの比Ｈ／＝０．０３の場合であり、特性曲線６０１はＨ／λ＝０．０５の場合である。例えば素子の動作周波数が１．５ＧＨｚの場合、波長λはＳＳＢＷ弾性表面波の速度が約５１００（ｍ／ｓｅｃ）であるから、λ＝５１００／１．５×１０９＝３．４×１０−６ｍであり、このときの電極膜厚Ｈは、Ｈ／λ＝０．０３において１０２ｎｍ、Ｈ／λ＝０．０５において１７０ｎｍとなる。電極膜の安定な形成においては、少なくとも１００ｎｍ程度の膜厚みが必要であり、この状態における反射係数γは約５〜６％程度となる。
つぎに、図８は圧電体平板上に前述の反射係数γを有する電極指を用い、本実施例の縦３重モード型のＳＡＷ共振子を構成した状態を示す概念図である。図中の７００は圧電体平板、７０１と７０２は反射器、７０３と７０４は入力および出力側のＩＤＴであり、７０５は制御用ＩＤＴの領域である。これらは区間Ｃと区間Ｅを交互に配置して構成してある。この状態において、前記素子の７０９のＸ軸位置に対応して、前記素子において利用する固有の共振モードの振動変位分布Ｕ（Ｘ）の相対値を図示した。図中の７０６は弾性表面波が伝搬する方向Ｘの中央位置に対してほぼ対称な振動変位分布を有する基本波対称モードＳ０であり、７０７は前記中央位置に対してほぼ斜対称な振動変位分布を有する基本波斜対称モードＡ０である。また、７０８は振動変位分布に２つの節を有し前記中央位置に対してほぼ対称な１次対称モードＳ１である。ちなみに、横軸のＸ座標は１／２波長単位で記述した。
ここで、本実施例におけるフィルタの特性の理解を容易ならしめるために、従来技術によって得られるフィルタ特性について説明しておく。
図９は、本実施例において定義した設計変数が、Ｈ／λ＝０．０３、電極指１本の反射係数γ＝０．０５の状態で、従来技術の条件である区間Ｃと区間Ｅの電極周期長ＰＣとＰＥを等しくした場合（ＰＥ／ＰＣ＝１）である。また１区間の電極指の対数ＭＰ＝４対、入力側と出力側ＩＤＴ全体における電極指の対数の和Ｍは１２０対、制御用ＩＤＴの対数ＭＫは２０対、反射器の導体本数は８０本、電極指の電極指交差幅ＷＣは５０λの場合である。同図の横軸は、周波数変化率ｄｆ／ｆ（ｐｐｍ）であり、縦軸はフィルタの動作伝送量ＳＢ（ｆ）をデシベル（ｄＢ）表示したものである。ちなみに、ｆは周波数である。特性曲線８００においてピークを示す８０１がフィルタの通過帯域幅を示すものであり、このように、単峰性の狭い帯域特性を有していることがわかる。本発明はこのような単峰性特性状態を改善して、広い通過帯域幅をもたせる手段を提供する。
つぎに、図１０は従来の設計条件の場合（ＰＥ／ＰＣ＝１）であり、電極指１本が示す反射係数γの値を変えた場合のフィルタの伝送特性を計算したものである。図１０（ａ）は反射係数γ＝０．０５の場合であり、入力側と出力側ＩＤＴ全体の電極指の対数Ｍ＝８０対、電極指交差幅ＷＣ＝１００λ、反射器の導体本数Ｎ＝８０本、１区間の電極指の対数ＭＰ＝４対である。この場合、特性曲線９０１がフィルタの伝送特性を示し、通過帯の比帯域幅は１２００ｐｐｍである。
また、図１０（ｂ）は反射係数γ＝０．０１５の場合であり、入力側と出力側ＩＤＴ全体における電極指の対数の和Ｍ＝１６０対と倍に設定し、電極指交差幅ＷＣ＝５０λ、反射器の導体本数Ｎ＝８０本、１区間の電極指の対数ＭＰ＝４対である。この場合、特性曲線９０２がフィルタの伝送特性を示し、通過帯の比帯域幅は約１０００ｐｐｍである。図１０が示す意味は、入力側と出力側ＩＤＴ全体における電極指の対数の和Ｍを小さくすれば通過帯域幅を広げることができること、および反射係数γを小さくすれば、入力側と出力側ＩＤＴ全体における電極指の対数の和Ｍが大きくても、通過帯域幅を広くできることを意味している。本発明は上記の結論である入力側と出力側ＩＤＴ全体における電極指の対数の和Ｍを小さくすることと、反射係数γを小さくすることを利用して１〜３ＧＨｚ帯で動作する通過比帯域幅４０００ｐｐｍの共振子型ＳＡＷフィルタを実現したものである。従来の技術ではすでに述べた通り通過比帯域幅約５００ｐｐｍが限界であった。原因は実用的な電極膜厚みにあっては、電極指１本が示す反射係数γが５〜１０％に至るからである。
つぎに図１の実施例が示すフィルタ特性について説明する。
図１１はフィルタの伝送特性１００１を上段に示し、下段には本素子を構成する反射器の反射特性１００２を図示したものである。本発明においては、反射器の中心周波数ｆ（Ｒｅｆ）とフィルタの通過帯域幅の中心周波数ｆ（ＩＤＴ）を一致させている。このような状態では、区間ＥのＩＤＴが放射する弾性表面波を完全に反射できるため、反射器の導体本数を少なくできる。このために、反射器の電極周期長ＰＲを０．９６８ＰＣとした。他の条件は、ＰＥ／ＰＣ＝０．９１であり、入力側と出力側のＩＤＴ対数が各々４０対、反射器の導体本数Ｎ＝１００本、電極指交差幅ＷＣ＝６０λ、区間Ｃおよび区間Ｅにおける電極指の対数ＭＣ＝ＭＥ＝１対、制御用ＩＤＴの電極指は２０対、電極指１本が示す反射係数γは０．０５である。
つぎに図１２は、図１１の縦３重モード型ＳＡＷフィルタを２段縦続接続した場合のフィルタの動作伝送量ＳＢ（ｆ）をデシベル表示で示したものである。横軸は周波数変化率ｄｆ／ｆ（ｐｐｍ）であり、縦軸はフィルタの動作伝送量ＳＢ（ｆ）である。本素子はフィルタのインピーダンスが５０Ωとなるように設計されている。本素子の動作周波数は１．５ＧＨｚとしてある。この場合において伝送特性は図１２（ａ）の特性曲線１１００のようになり、挿入損失の最小値は約２．０ｄＢであり、通過帯域である平坦領域の幅（比帯域幅）は約４０００ｐｐｍが得られている。また、１１０１はフィルタの影像インピーダンスＺ（ｆ）（Ω）である。特性曲線１１００の周波数９０００ｐｐｍ付近が１次対称モードＳ１であり、１２０００ｐｐｍ付近が基本波斜対称モードＡ０であり、１４０００ｐｐｍ付近が基本波対称モードＳ０である。図１２（ｂ）は周波数範囲を広げて図示した場合のフィルタ特性１１０２である。帯域外の抑圧特性は一部に狭い周波数を除き５０ｄＢ程確保されており、良好な特性が得られていることがわかる。また、１１０３は反射器のもつ反射特性であり、反射量を１００倍にして相対位置がわかるようにあわせて図示した。
以上が第１の課題に対する本実施例の説明である。この実施例によって発生する側帯波成分の発生（第２の課題）に対する改善結果をつぎに説明する。この側帯波の発生原因につき解析した結果、発生原因には２つの要因があることがわかった。発生原因の第１は、入力側ＩＤＴの区間Ｃと区間Ｅにおいて弾性表面波の励振の有無に起因する振幅変調によるものと、第２は区間Ｃと区間Ｅの電極周期長ＰＣ，ＰＥが異なることに起因する周波数変調によるものである。これら側帯波成分の発生原因の観点から、図１３の状況を説明する。
図１３は、区間Ｅの電極指を給電導体に接続し、区間Ｃの電極指を給電導体に接続しない場合で、かつ区間Ｃと区間Ｅの電極指本数ＮＰＭを変化させた場合の側帯波の発生状況である。図１３（ａ）はＮＰＭ＝２本の場合であり、図１３（ｂ）はＮＰＭ＝６本の場合であり、図１３（ｃ）はＮＰＭ＝８本の場合である。図中の１２００は所望の通過帯域であり、１２０１，１２０２，１２０３の各ピークは、各電極指本数ＮＰＭに対応する側帯波の成分である。これらの振幅の大きさは６２ｄＢから３０ｄＢと大きく問題である。また、ＮＰＭの値は偶数値のものを示したが、奇数値でも同様な側帯波の成分の値を示した。図１３において、ＮＰＭが２本または６本のときに側帯波の成分が小さく、６２ｄＢとなっている。さらにＮＰＭ＝２本、すなわちＭＣ＝ＭＥ＝１対のときには、側帯波の成分が所望の通過帯域１２００から大きく遠ざかっており、ＮＰＭ＝６本、ＮＰＭ＝８本の場合と比べて実用上有利な特性となっている。
そこでつぎに、側帯波成分の発生原因である第１の原因を取り除いてみた。すなわち、区間Ｃの電極指を給電導体に接続してみた。その結果、ＮＰＭ＝２において、図１４の特性曲線１３００に示すフィルタ特性が得られた。図中の１３０１は所望の通過帯域であり、１３０２が側帯波の成分である。その大きさは９０ｄＢとなって通常のノイズレベルであり使用可能な大きさに改善されているのがわかる。
このように、本実施例によれば、区間Ｃと区間Ｅの各電極指からの反射波の総和が相互に相殺して減少するために、電極指１本が示す実効的な反射係数を低減して広い帯域幅の縦３重モード型の共振子型ＳＡＷフィルタが容易に実現できる。また、区間Ｃと区間Ｅの電極指がそれぞれ電気的に接続されて弾性表面波を励振して途切れないことから、ノイズの発生原因となる側帯波成分を十分に小さくできる。
つぎに本発明に係る共振子型ＳＡＷフィルタの他の実施例について説明する。
図１５は本発明に係わる共振子型ＳＡＷフィルタの一実施例について、圧電体平板上に形成した電極パターンを図示した模式平面図である。
図１５の各部位の名称は、１５０は水晶、ＬｉＴａＯ３等からなる圧電体平板、１５１および１５２は反射器、１５３は入力側ＩＤＴ、１５４は出力側ＩＤＴ、１５５は制御用ＩＤＴ、１５６Ａおよび１５６Ｂは反射器を構成する導体ストリップ、１５７は給電導体（バスバー）に接続された入力側ＩＤＴの正極側の電極指、１５８は給電導体（バスバー）に接続された入力側ＩＤＴの負極側の電極指、１５９は給電導体（バスバー）に接続された出力側ＩＤＴの正極側の電極指、１６０は給電導体（バスバー）に接続された出力側ＩＤＴの負極側の電極指である。また、１６１等は制御用ＩＤＴの電極指、１６２と１６３は各々正極側と負極側の入力側給電導体（バスバー）、１６４と１６５は各々正極側と負極側の出力側給電導体（バスバー）である。さらに、圧電体平板上の１７３は利用する弾性表面波の位相伝搬方向であるＸ軸、１７１は本素子を駆動するための信号源、１７２は本素子の負荷となるインピーダンスＺＬである。
さらに説明すると、１６６は区間Ｇに対応する出力側ＩＤＴの部分、１６７は区間Ｈに対応する出力側ＩＤＴの部分、１６９は区間Ｇに対応する入力側ＩＤＴの部分、１７０は区間Ｈに対応する入力側ＩＤＴ部分である。１６８Ａと１６８Ｂの区間は各々電極周期長ＰＧとＰＨを有する制御用ＩＤＴの区間である。
実際の素子においては、入力側ＩＤＴ１５３は区間Ｇと区間Ｈを交互に連続配置して構成されており、出力側ＩＤＴ１５４も、区間Ｇと区間Ｈを交互に連続配置して構成されている。制御用ＩＤＴ１５５も同様に区間Ｇと区間Ｈを交互に連続配置して構成する。このように構成された入力側ＩＤＴ１５３と出力側ＩＤＴ１５４の前記Ｘ軸方向の両側に１対の反射器１５１，１５２が配置されている。反射器１５１，１５２は無くても良い場合があるが、付加すると素子の特性を著しく向上できる。
さらに説明すると、前記区間ＧはＩＤＴを構成する正負極性の内いずれかの電極指の本数ＮＧが１本からなり、一方、前記区間Ｈは区間Ｇと異なる極性の電極指の本数ＮＨが１本からなり、かつ区間Ｇと区間Ｈの電極指はいずれも給電導体に接続している。また、前記区間Ｇは、電極幅寸法Ｌと電極間寸法Ｓの和である電極周期長ＰをＰ＝Ｌ＋Ｓとした場合に、電極周期長ＰがＰＧであり、前記区間Ｈは、電極周期長ＰがＰＨであるとする。また前記電極周期長については、前記区間Ｇと区間Ｈの電極周期長の比ＰＨ／ＰＧについて、０．８＜ＰＨ／ＰＧ＜１範囲に設定する。
さらに、前記反射器１５１，１５２の中心周波数ｆ（Ｒｅｆ）と、前記区間ＨのＩＤＴが発生する周波数ｆ（ＩＤＴ）を一致させており、両周波数は区間ＧのＩＤＴおよび区間ＨのＩＤＴの電極周期長ＰＧとＰＨの組み合わせと、反射器１５１と１５２の電極周期長ＰＲの関係を適切に設定して、前記ｆ（Ｒｅｆ）＝ｆ（ＩＤＴ）と設定する。
以上に述べた図１５の構成全体で、入力側のＩＤＴで発生した弾性表面波は１対の反射器１５１と１５２で反射して定在波振動状態を形成して利用すべき固有共振モードを発生する。これら固有モードはＸ軸方向に振動変位が変わる基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０、さらに１次対称モードＳ１の３個の共振状態であり、前記３個の共振現象を結合して縦３重モード型のＳＡＷフィルタを構成している。
ただし、従来の技術と異なる点は、区間Ｇと区間Ｈとを交互に配置してなるＩＤＴ全体が有する等価な電極指１本が示す反射係数γｇｈが０．０１から０．０２５の範囲であることである。
さらに構成条件として、前記圧電体平板１５０と前記ＩＤＴ（１５３，１５４，１５５等）の電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０３から０．１の範囲である場合において、本発明の手段は特に有効である。
さらにまた、詳細な構成条件をあげると、前記圧電体平板が水晶ＳＴＷカット基板であり、前記ＩＤＴはアルミニウム金属により形成されて電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０５±０．０２であり、かつ区間Ｇ、区間Ｈにおける電極指の本数ＮＧとＮＨが１本であり、制御用ＩＤＴ１５５における電極指１６１の対数ＭＫが１０対から３０対の範囲である。そして、区間Ｇおよび区間Ｈの電極指を給電導体に接続し、かつ前記入力側ＩＤＴおよび出力側ＩＤＴの電極指の和Ｍが４０±１０対である。特にＭＫ＝２０対の場合には、入力および出力側のＩＤＴは４０対であり、ＩＤＴの交差指幅ＷＣが５０〜８０λであり、前記反射器の導体本数は３０〜１００本である場合において特に良好な特性が得られる。なお、水晶ＳＴＷカット基板は水晶Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）回り反時計方向に３５度から３８度回転した水晶平板であり、オイラー角（φ，θ，ψ）表示で、（０°，１２５〜１２８°，９０°）のものである。そして、弾性表面波の伝搬方向がこの水晶Ｙ板の回転後の光軸Ｚ´方向になるように各ＩＤＴを配列している。
以上の構成からなる共振子型ＳＡＷフィルタの基本的動作原理は実施例１の図２、図３、図４、図５、図６、図８で説明したのと同様であり説明を省略する。また、本実施例では、図７、図１１、図１２で説明したフィルタ特性についても同様の結果を有する。
ここで、実施例１と実施例２での相違点は、ＩＤＴの区間Ｇ、区間Ｈを構成する電極指の本数に違いがある。実施例１では１区間（区間Ｃ、区間Ｅ）における電極指の本数を２本（ＮＰＭ＝２）、すなわち１対で構成し、実施例２では１区間（区間Ｇ、区間Ｈ）における電極指の本数を１本（ＮＰＭ＝１）としている。
１区間における電極指を１対としたときには、図１４で説明したように、フィルタ特性に９０ｄＢの側帯波の成分が残留する。そこでさらに検討を重ねた結果、１区間の電極指を１対でなく、１本（ＮＰＭ＝１）とした場合において側帯波の成分が消滅することがわかった。これが図１５の構成に対応し、図１６にこの共振子型ＳＡＷフィルタを２段縦続接続したときの伝送特性を示す。図１６において、１４００は所望の通過帯域であり、１４０１が伝送特性曲線である。みてのとおり側帯波の成分が消滅していることがわかる。
このように、本実施例によれば、区間Ｇと区間Ｈの各電極指からの反射波の総和が相互に相殺して減少するために、電極指１本が示す実効的な反射係数を低減して広い帯域幅の縦３重モード型の共振子型ＳＡＷフィルタが容易に実現できる。また、区間Ｇと区間Ｈの電極指がそれぞれ電気的に接続されて弾性表面波を励振して途切れないことから、ノイズの発生原因となる側帯波成分を完全に除去できる。
以上のとおり、水晶のみからなる基板について、ＳＴＷ型の弾性表面波を利用した弾性表面波フィルタの構成および特性につき説明したが、前記基板が水晶以外の材料、例えばダイヤモンド基板からなるものでも、また基板表面にＳｉＯ２、ＺｎＯ等の薄膜が本素子の特性を損なわない程度に形成されても、本発明の構成条件が満足される範囲であれば有効であることをつけくわえる。
なお、上記実施例では縦３重モード型の共振子型ＳＡＷフィルタを例にとり説明したが、縦２重モード型の共振子型ＳＡＷフィルタとして実施することも可能である。
図１５は本発明に係わる共振子型ＳＡＷフィルタの一実施例について、圧電体平板上に形成した電極パターンを図示した模式平面図である。
図１５の各部位の名称は、１５０は水晶、ＬｉＴａＯ３等からなる圧電体平板、１５１および１５２は反射器、１５３は入力側ＩＤＴ、１５４は出力側ＩＤＴ、１５５は制御用ＩＤＴ、１５６Ａおよび１５６Ｂは反射器を構成する導体ストリップ、１５７は給電導体（バスバー）に接続された入力側ＩＤＴの正極側の電極指、１５８は給電導体（バスバー）に接続された入力側ＩＤＴの負極側の電極指、１５９は給電導体（バスバー）に接続された出力側ＩＤＴの正極側の電極指、１６０は給電導体（バスバー）に接続された出力側ＩＤＴの負極側の電極指である。また、１６１等は制御用ＩＤＴの電極指、１６２と１６３は各々正極側と負極側の入力側給電導体（バスバー）、１６４と１６５は各々正極側と負極側の出力側給電導体（バスバー）である。さらに、圧電体平板上の１７３は利用する弾性表面波の位相伝搬方向であるＸ軸、１７１は本素子を駆動するための信号源、１７２は本素子の負荷となるインピーダンスＺＬである。
さらに説明すると、１６６は区間Ｇに対応する出力側ＩＤＴの部分、１６７は区間Ｈに対応する出力側ＩＤＴの部分、１６９は区間Ｇに対応する入力側ＩＤＴの部分、１７０は区間Ｈに対応する入力側ＩＤＴ部分である。１６８Ａと１６８Ｂの区間は各々電極周期長ＰＧとＰＨを有する制御用ＩＤＴの区間である。
実際の素子においては、入力側ＩＤＴ１５３は区間Ｇと区間Ｈを交互に連続配置して構成されており、出力側ＩＤＴ１５４も、区間Ｇと区間Ｈを交互に連続配置して構成されている。制御用ＩＤＴ１５５も同様に区間Ｇと区間Ｈを交互に連続配置して構成する。このように構成された入力側ＩＤＴ１５３と出力側ＩＤＴ１５４の前記Ｘ軸方向の両側に１対の反射器１５１，１５２が配置されている。反射器１５１，１５２は無くても良い場合があるが、付加すると素子の特性を著しく向上できる。
さらに説明すると、前記区間ＧはＩＤＴを構成する正負極性の内いずれかの電極指の本数ＮＧが１本からなり、一方、前記区間Ｈは区間Ｇと異なる極性の電極指の本数ＮＨが１本からなり、かつ区間Ｇと区間Ｈの電極指はいずれも給電導体に接続している。また、前記区間Ｇは、電極幅寸法Ｌと電極間寸法Ｓの和である電極周期長ＰをＰ＝Ｌ＋Ｓとした場合に、電極周期長ＰがＰＧであり、前記区間Ｈは、電極周期長ＰがＰＨであるとする。また前記電極周期長については、前記区間Ｇと区間Ｈの電極周期長の比ＰＨ／ＰＧについて、０．８＜ＰＨ／ＰＧ＜１範囲に設定する。
さらに、前記反射器１５１，１５２の中心周波数ｆ（Ｒｅｆ）と、前記区間ＨのＩＤＴが発生する周波数ｆ（ＩＤＴ）を一致させており、両周波数は区間ＧのＩＤＴおよび区間ＨのＩＤＴの電極周期長ＰＧとＰＨの組み合わせと、反射器１５１と１５２の電極周期長ＰＲの関係を適切に設定して、前記ｆ（Ｒｅｆ）＝ｆ（ＩＤＴ）と設定する。
以上に述べた図１５の構成全体で、入力側のＩＤＴで発生した弾性表面波は１対の反射器１５１と１５２で反射して定在波振動状態を形成して利用すべき固有共振モードを発生する。これら固有モードはＸ軸方向に振動変位が変わる基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０、さらに１次対称モードＳ１の３個の共振状態であり、前記３個の共振現象を結合して縦３重モード型のＳＡＷフィルタを構成している。
ただし、従来の技術と異なる点は、区間Ｇと区間Ｈとを交互に配置してなるＩＤＴ全体が有する等価な電極指１本が示す反射係数γｇｈが０．０１から０．０２５の範囲であることである。
さらに構成条件として、前記圧電体平板１５０と前記ＩＤＴ（１５３，１５４，１５５等）の電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０３から０．１の範囲である場合において、本発明の手段は特に有効である。
さらにまた、詳細な構成条件をあげると、前記圧電体平板が水晶ＳＴＷカット基板であり、前記ＩＤＴはアルミニウム金属により形成されて電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０５±０．０２であり、かつ区間Ｇ、区間Ｈにおける電極指の本数ＮＧとＮＨが１本であり、制御用ＩＤＴ１５５における電極指１６１の対数ＭＫが１０対から３０対の範囲である。そして、区間Ｇおよび区間Ｈの電極指を給電導体に接続し、かつ前記入力側ＩＤＴおよび出力側ＩＤＴの電極指の和Ｍが４０±１０対である。特にＭＫ＝２０対の場合には、入力および出力側のＩＤＴは４０対であり、ＩＤＴの交差指幅ＷＣが５０〜８０λであり、前記反射器の導体本数は３０〜１００本である場合において特に良好な特性が得られる。なお、水晶ＳＴＷカット基板は水晶Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）回り反時計方向に３５度から３８度回転した水晶平板であり、オイラー角（φ，θ，ψ）表示で、（０°，１２５〜１２８°，９０°）のものである。そして、弾性表面波の伝搬方向がこの水晶Ｙ板の回転後の光軸Ｚ´方向になるように各ＩＤＴを配列している。
以上の構成からなる共振子型ＳＡＷフィルタの基本的動作原理は実施例１の図２、図３、図４、図５、図６、図８で説明したのと同様であり説明を省略する。また、本実施例では、図７、図１１、図１２で説明したフィルタ特性についても同様の結果を有する。
ここで、実施例１と実施例２での相違点は、ＩＤＴの区間Ｇ、区間Ｈを構成する電極指の本数に違いがある。実施例１では１区間（区間Ｃ、区間Ｅ）における電極指の本数を２本（ＮＰＭ＝２）、すなわち１対で構成し、実施例２では１区間（区間Ｇ、区間Ｈ）における電極指の本数を１本（ＮＰＭ＝１）としている。
１区間における電極指を１対としたときには、図１４で説明したように、フィルタ特性に９０ｄＢの側帯波の成分が残留する。そこでさらに検討を重ねた結果、１区間の電極指を１対でなく、１本（ＮＰＭ＝１）とした場合において側帯波の成分が消滅することがわかった。これが図１５の構成に対応し、図１６にこの共振子型ＳＡＷフィルタを２段縦続接続したときの伝送特性を示す。図１６において、１４００は所望の通過帯域であり、１４０１が伝送特性曲線である。みてのとおり側帯波の成分が消滅していることがわかる。
このように、本実施例によれば、区間Ｇと区間Ｈの各電極指からの反射波の総和が相互に相殺して減少するために、電極指１本が示す実効的な反射係数を低減して広い帯域幅の縦３重モード型の共振子型ＳＡＷフィルタが容易に実現できる。また、区間Ｇと区間Ｈの電極指がそれぞれ電気的に接続されて弾性表面波を励振して途切れないことから、ノイズの発生原因となる側帯波成分を完全に除去できる。
以上のとおり、水晶のみからなる基板について、ＳＴＷ型の弾性表面波を利用した弾性表面波フィルタの構成および特性につき説明したが、前記基板が水晶以外の材料、例えばダイヤモンド基板からなるものでも、また基板表面にＳｉＯ２、ＺｎＯ等の薄膜が本素子の特性を損なわない程度に形成されても、本発明の構成条件が満足される範囲であれば有効であることをつけくわえる。
なお、上記実施例では縦３重モード型の共振子型ＳＡＷフィルタを例にとり説明したが、縦２重モード型の共振子型ＳＡＷフィルタとして実施することも可能である。
Claims (10)
- 圧電体平板上に、弾性表面波を励振する入力側すだれ状電極と、前記入力側すだれ状電極により励振された弾性表面波を受信する出力側すだれ状電極と、前記入力側すだれ状電極と出力側すだれ状電極の間に弾性表面波の状態を制御するための制御用すだれ状電極と、さらに前記入力側すだれ状電極と出力側すだれ状電極の両側に設けられた１対の反射器と、が前記弾性表面波の伝搬する方向にそれぞれ配置された共振子型ＳＡＷフィルタであって、
前記入力側すだれ状電極と前記出力側すだれ状電極および前記制御用すだれ状電極は、交互に配置された２種類の異なる区間Ｃと区間Ｅ内にそれぞれ設けられた電極指から構成され、
前記電極指の幅Ｌが、前記弾性表面波の波長をλとしてほぼλ／４の寸法で構成され、
前記電極指の幅Ｌと電極指間の寸法Ｓの和である電極周期長ＰをＰ＝Ｌ＋Ｓとした場合に、
前記区間Ｃにおける電極周期長ＰがＰＣかつ前記電極指の対数ＭＣが１対であり、
前記区間Ｅにおける前記電極周期長ＰがＰＥかつ前記電極指の対数ＭＥが１対であり、
前記区間Ｃと区間Ｅの電極周期長の比ＰＥ／ＰＣが、０．８＜ＰＥ／ＰＣ＜１の範囲内であり、かつ前記区間Ｃと区間Ｅに設けられた前記電極指はいずれも給電導体に接続されたことを特徴とする共振子型ＳＡＷフィルタ。 - 前記圧電体平板と前記すだれ状電極が形成する前記電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０３から０．１０の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の共振子型ＳＡＷフィルタ。
- 前記共振子型ＳＡＷフィルタにおいて、利用する共振モードが基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０と１次対称モードＳ１との共振現象から合成される縦３重モードであり、かつ前記電極周期長ＰＣおよびＰＥとを交互に配置してなるすだれ状電極全体が有する前記電極指１本が示す弾性表面波の等価な反射係数γｃｅが０．０１から０．０２５の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の共振子型ＳＡＷフィルタ。
- 前記圧電体平板が水晶ＳＴＷカット基板であり、前記すだれ状電極はアルミニウム金属により形成されて電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０５±０．０２であり、かつ前記電極周期長の比ＰＥ／ＰＣが０．９±０．０２であり、前記制御用すだれ状電極の電極指の対数ＭＫが１０対から３０対の範囲であり、かつ前記入力側すだれ状電極と出力側すだれ状電極の電極指の和Ｍが８０±１０対であり、かつ前記電極指の電極指交差幅ＷＣが５０〜８０λであり、前記反射器の導体本数は３０〜１００本であることを特徴とする請求項１に記載の共振子型ＳＡＷフィルタ。
- 圧電体平板上に、弾性表面波を励振する入力側すだれ状電極と、前記入力側すだれ状電極により励振された弾性表面波を受信する出力側すだれ状電極と、前記入力側すだれ状電極と出力側すだれ状電極の間に弾性表面波の状態を制御するための制御用すだれ状電極と、さらに前記入力側すだれ状電極と出力側すだれ状電極の両側に設けられた１対の反射器と、が前記弾性表面波の伝搬する方向にそれぞれ配置された共振子型ＳＡＷフィルタであって、
前記の入力側すだれ状電極と前記出力側すだれ状電極および前記制御用すだれ状電極は、交互に配置された２種類の異なる区間Ｇと区間Ｈ内にそれぞれ設けられた電極指から構成され、
前記電極指の幅Ｌが、前記弾性表面波の波長をλとしてほぼλ／４の寸法で構成され、
前記電極指の幅Ｌと電極指間の寸法Ｓの和である電極周期長ＰをＰ＝Ｌ＋Ｓとした場合に、
前記区間Ｇにおける前記電極周期長ＰがＰＧかつ前記電極指の本数ＮＧが１本であり、
前記区間Ｈにおける前記電極周期長ＰがＰＨかつ前記電極指の本数ＮＨが１本であり、
前記区間Ｇと区間Ｈの電極周期長の比ＰＨ／ＰＧが、０．８＜ＰＨ／ＰＧ＜１の範囲内であり、かつ区間Ｇと区間Ｈの前記電極指を各々異なる極性の給電導体に接続されたことを特徴とする共振子型ＳＡＷフィルタ。 - 前記圧電体平板と前記すだれ状電極が形成する前記電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０３から０．１０の範囲であることを特徴とする請求項５に記載の共振子型ＳＡＷフィルタ。
- 前記共振子型ＳＡＷフィルタにおいて、利用する共振モードが基本波対称モードＳ０と基本波斜対称モードＡ０と１次対称モードＳ１との共振現象から合成される縦３重モードであり、かつ前記電極周期長ＰＧおよびＰＨとを交互に配置してなるすだれ状電極全体が有する前記電極指１本が示す等価な反射係数γｇｈが０．０１から０．０２５の範囲であることを特徴とする請求項５に記載の共振子型ＳＡＷフィルタ。
- 前記圧電体平板が水晶ＳＴＷカット基板であり、前記すだれ状電極はアルミニウム金属により形成されて電極指１本が示す弾性表面波の反射係数γが０．０５±０．０２であり、かつ前記電極周期長の比ＰＨ／ＰＧが０．９±０．０２であり、前記制御用すだれ状電極の電極指の対数ＭＫが１０対から３０対の範囲であり、かつ前記入力側すだれ状電極および出力側すだれ状電極の対数の和Ｍが４０±１０対であり、かつ前記電極指の電極指交差幅ＷＣが５０〜８０λであり、前記反射器の導体本数は３０〜１００本であることを特徴とする請求項５に記載の共振子型ＳＡＷフィルタ。
- 前記反射器の中心周波数ｆ（Ｒｅｆ）と、前記電極周期長ＰＥまたはＰＨのすだれ状電極が発生する周波数ｆ（ＩＤＴ）を一致させたことを特徴とする請求項１または５に記載の共振子型ＳＡＷフィルタ。
- 前記水晶ＳＴＷカット基板は、水晶Ｙ板を電気軸（Ｘ軸）の回り反時計方向にθ＝３５度から３８度回転した水晶平板であることを特徴とする請求項４または８に記載の共振子型ＳＡＷフィルタ。
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